DE4227769A1 - Bacterial strains for mercury reduction and processes for their production - Google Patents
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Description
Die biologische Grundlage der Quecksilber- (Hg-) Toxizität ist die Fähigkeit von Hg in seiner zweiwertigen kationischen Form [Hg(II)], Sulfhydryl-, Thioether- und Imidazolgruppen zu binden und dadurch Enzyme zu inaktivieren (26). Es ist deshalb allgemein anerkannt, daß das Hg(II) die am stärksten toxische ionische Form des Metalls ist. Organische Quecksilber-Spezies, und zwar sowohl Alkyl- als auch Aryl derivate, können in den Geweben höherer Organismen akkumulie ren, wo sie systemische Krankheiten verursachen (17). Trotz der extremen Biotoxizität von Hg(II) und seinen organischen Derivaten werden jedoch schätzungsweise jährlich 11 000 Ton nen durch Menschenhand mobilisiertes Hg und Hg-haltige Ver bindungen in die Biosphäre entlassen. Es läßt sich also sagen, daß Quecksilberverschmutzungen ein ernstzunehmendes Risiko für die Umwelt darstellen.The biological basis of mercury (Hg) toxicity is the ability of Hg in its divalent cationic Form [Hg (II)], sulfhydryl, thioether and imidazole groups too bind and thereby inactivate enzymes (26). It is therefore generally recognized that Hg (II) is the strongest is toxic ionic form of the metal. Organic Mercury species, both alkyl and aryl derivatives, can accumulate in the tissues of higher organisms where they cause systemic diseases (17). In spite of the extreme biotoxicity of Hg (II) and its organic However, derivatives are estimated to produce 11,000 tons a year Hg and Hg-containing compounds mobilized by human hands releases ties into the biosphere. So it can be say that mercury pollution is a serious one Pose a risk to the environment.
Da die Gesamtmenge an vorhandenem Hg endgültig und unverän derbar ist, kann Abhilfe bezüglich der Hg-Belastungen nur dadurch erzielt werden, daß die ionische Form in eine weniger toxische Spezies überführt wird und/oder daß sie abgetrennt wird, idealerweise in einer für weitere Verwendung in den Kreislauf rückführbaren Gestalt. Derzeit übliche Hg-Beseiti gungs-Technologien setzen Adsorptionsmatrices ein, um Queck silberverbindungen aus industriellen Abgasen oder Abwässern zu entfernen. Durch dieses Verfahren wird jedoch ein fester Sekundärabfall erzeugt, und gebundenes Hg ist für eine wei tere Verwendung nicht mehr verfügbar. Das Verfahren weist weiterhin den Nachteil auf, daß es relativ unselektiv ist; auch andere Abfallbestandteile als Hg werden adsorbiert. Since the total amount of mercury present is final and unchanged can be remedied only with regard to mercury pollution can be achieved in that the ionic form in a less toxic species is transferred and / or that they are separated ideally in one for further use in the Circulatory traceable form. Current Hg-Beseiti technologies use adsorption matrices to remove mercury silver compounds from industrial exhaust gases or waste water to remove. However, this procedure makes it more solid Secondary waste generated, and bound Hg is for a white no longer available. The procedure points continue to suffer from the disadvantage that it is relatively unselective; waste components other than Hg are also adsorbed.
Eine alternative Strategie zur Beseitigung, die derzeit untersucht wird, schließt die Umsetzung von Hg(II) in die inertere, flüchtige Elementarform [Hg(0)] ein, und zwar unter Einsatz des Mechanismus der bakteriellen Hg-Resistenz, die auf der Reduktion von Hg(II) zu Hg(0) durch die Aktivität einer cytosolischen Quecksilber-Reduktase beruht (8, 36). Solche bakteriellen Reduktionssysteme könnten entweder an Ort und Stelle für die Beseitigung eingesetzt werden, da flüchtig gemachtes Hg(0) sowohl weniger toxisch als auch weniger bio verfügbar ist, oder aber innerhalb von Bioreaktoren, aus denen das reduzierte Hg(0) bei Bedarf wiedergewonnen werden könnte.An alternative strategy to eliminate that currently is investigated, the conversion of Hg (II) into the inert, volatile elementary form [Hg (0)], namely under Use of the mechanism of bacterial mercury resistance that on the reduction of Hg (II) to Hg (0) through the activity a cytosolic mercury reductase (8, 36). Such bacterial reduction systems could either be in place and place used for disposal because volatile made Hg (0) both less toxic and less bio is available, or within bioreactors which the reduced Hg (0) can be recovered if necessary could.
An der spezifischen bakteriellen Quecksilberresistenz (Hgr) sind zum einen die Quecksilber-Reduktase und zum anderen, da Hg(II) auch Membranproteine inaktiviert, ein Hg-spezifisches Transportsystem beteiligt, das die Membran und andere zellu läre Komponenten durch die Beförderung des Hg von der Zell oberfläche zur intrazellulären Quecksilber-Reduktase schützt (24).The specific bacterial mercury resistance (Hg r ) involves mercury reductase on the one hand and, on the other hand, since Hg (II) also inactivates membrane proteins, an Hg-specific transport system is involved, which transports the membrane and other cellular components by transporting the Hg of protects the cell surface from intracellular mercury reductase (24).
Hgr mit engerem Wirkungsspektrum verleiht Resistenz nur gegenüber Quecksilber-Ionen. An der Quecksilberresistenz mit breitem Wirkungspektrum ist neben den Transport- und Reduk tase-Enzymen eine Organoquecksilber-Lyase beteiligt, die Koh lenstoff-Hg-Bindungen protonolytisch spaltet (2, 36, 41). Die Hgr-Systeme mit breitem Wirkungsspektrum verleihen deshalb durch die aufeinanderfolgenden Aktivitäten von Lyase und Reduktase auch Resistenz gegenüber Organoquecksilber-Verbin dungen.Hg r with a narrower spectrum of activity confers resistance only to mercury ions. In addition to the transport and reduct enzymes, an organomercury lyase is involved in the mercury resistance with a broad spectrum of activity, which protonolytically cleaves carbon-Hg bonds (2, 36, 41). The Hg r systems with a broad spectrum of activity therefore confer resistance to organo mercury compounds through the successive activities of lyase and reductase.
Man hat die Hgr-Mechanismus für sowohl engeres als auch brei tes Wirkungsspektrum in weitem Umfang in Bakterien gefunden. Die Hgr-Strukturgene sind in einem einzigen Operon codiert, das primär durch das merR-Genprodukt reguliert wird, welches seinerseits angrenzend an das merTPABD-Operon transkribiert wird, jedoch in umgekehrter Richtung davon. Die merT- und merP-Genprodukte sind an der Aufnahme und am Transport von Hg(II) beteiligt, merA spezifiziert die Quecksilber-Reduk tase, und merB codiert für die Organoquecksilber-Lyase (39 enthält eine Übersicht). merD, das am weitesten vom Promotor entfernt gelegene Gen, das identifiziert wurde, wurde mit einer Koregulations-Funktion bei der Transkription in Verbin dung gebracht (22, 29).The Hg r mechanism has been found to a large extent in bacteria for both a narrower and a broad spectrum of activity. The Hg r structural genes are encoded in a single operon that is primarily regulated by the merR gene product, which in turn is transcribed adjacent to the merTPABD operon, but in the reverse direction thereof. The merT and merP gene products are involved in the uptake and transport of Hg (II), merA specifies the mercury reductase, and merB codes for the organo mercury lyase (39 contains an overview). merD, the most distant promoter gene that has been identified, has been implicated in a transcriptional function of co-regulation (22, 29).
Es ist nun Aufgabe der Erfindung, Bakterienstämme mit verbes serten Quecksilber-Entgiftungseigenschaften zur Verfügung zu stellen.It is an object of the invention to verbes bacterial strains Serious mercury detoxification properties are available too put.
Diese Aufgabe wurde dadurch gelöst, daß Stämme von Pseudomo nas putida zur Verfügung gestellt werden, welche infolge kon stitutiver Hyperexpression der merTPAB-Gene derartige verbes serte Quecksilber-Entgiftungs-Eigenschaften aufweisen. Erfin dungsgemäß werden auch Organismen bereitgestellt, bei denen die Fähigkeit, Hg unter hohen Konzentrationen in erhöhten Raten zu reduzieren, auf genetischer Ebene mit einem Benzol- Katabolismus kombiniert ist. Die entsprechenden Pseudomonas putida-Derivate sind in der Lage, die chemisch ungleichen Bestandteile einer Organoquecksilber-Verbindung, nämlich Phenylquecksilberacetat (PMA), in ihre metallischen und aromatischen Bestandteile zu zerlegen und jeweils getrennt zu entgiften. Die Charakterisierung dieser Isolate zeigt, daß sie für die Behandlung von Hg-haltigen Verunreinigungen geeignet sind.This problem was solved in that tribes of Pseudomo nas putida are made available, which as a result of con statutory hyperexpression of the merTPAB genes of such verbes Serte have mercury detoxification properties. Erfin According to the invention, organisms are also provided in which the ability to increase Hg at high concentrations To reduce rates at the genetic level with a benzene Catabolism is combined. The corresponding Pseudomonas putida derivatives are able to match the chemically unequal Components of an organomercury compound, namely Phenylmercury acetate (PMA), in their metallic and disassemble aromatic components and separate each detoxify. The characterization of these isolates shows that for the treatment of mercury-containing impurities are suitable.
Die bereitgestellten Stämme sind dadurch gekennzeichnet, daß sieThe strains provided are characterized in that she
- a) in der Lage sind, Quecksilber(II)-Ionen aus Quecksilber salzen und Organoquecksilberverbindungen zu reduzieren,a) are able to make mercury (II) ions from mercury to reduce salts and organo mercury compounds,
- b) hohe Resistenz gegenüber Quecksilberverbindungen auf weisen,b) high resistance to mercury compounds point,
- c) einen Expressionsapparat für die quecksilberentgiftenden Proteine besitzen, der völlig unabhängig von der umgebenden Quecksilberkonzentration ist, c) an expression apparatus for the mercury detoxifiers Own proteins that are completely independent of the surrounding ones Mercury concentration is
- d) genetisch stabile Insertionen von überexprimierenden Genen für die Quecksilberresistenz in das Wirtschromosom auf weisen, undd) genetically stable insertions of overexpressing Genes for mercury resistance in the host chromosome point, and
- e) fakultativ zusätzlich Toluol- und Benzolgruppen abbauen können.e) optionally break down additional toluene and benzene groups can.
Diese Stämme entgiften organische Quecksilberverbindungen wie auch Quecksilbersalze nicht nur bei sehr hohen, sondern auch bei sehr niedrigen Quecksilber-Konzentrationen, welch letz tere normalerweise, z. B. in den Wildtypen, nicht zur Induk tion der Synthese der quecksilberentgiftenden Proteine aus reichen. Diejenigen Stämme, die auch Benzol- und Toluol gruppen abbauen können, setzen diese Gruppen im wesentlichen letztendlich zu Kohlendioxid und Wasser um, unabhängig davon, ob das Benzol und/oder Toluol als organische Gruppe in einer Quecksilberverbindung oder als Verbindung an sich in die Um gebung des abbauenden Organismus gelangt ist.These strains detoxify organic mercury compounds like also mercury salts not only at very high, but also at very low mercury concentrations, which tere normally, e.g. B. in the wild types, not for induc tion of the synthesis of mercury detoxifying proteins pass. Those strains that also have benzene and toluene dismantle groups, these groups essentially set ultimately to carbon dioxide and water regardless of whether the benzene and / or toluene as an organic group in one Mercury compound or as a connection in itself in the order of the degrading organism.
Zur Erzeugung der Mutanten wird Pseudomonas putida vorzugs weise mit einem Mini-Transposon ungezielt mutagenisiert, das merTPAB enthält, also Strukturgene, die die Quecksilber resistenz spezifizieren. Das Transposon sollte bevorzugt eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften aufweisen:Pseudomonas putida is preferred for generating the mutants wisely mutagenized with a mini transposon that merTPAB contains, i.e. structural genes that contain the mercury specify resistance. The transposon should preferably be one or have more than one of the following:
- i) Eine sehr kurze Endsequenz (z. B. 19 Bp).i) A very short ending sequence (e.g. 19 bp).
- ii) Nur einmaliges Transponieren in den Akzeptor bzw. Rezipienten; die transponierte DNA sollte stabil in den Wirt integriert sein, nicht wandern, sich nicht verdoppeln und auch nicht durch Aktion eines ihrer eigenen Bestandteile wieder herausge schnitten werden.ii) Transpose only once into the acceptor or recipient; the transposed DNA should be stably integrated into the host, do not hike, do not double and do not go through Action of one of its own components be cut.
- iii) Das Transposon-Konstrukt sollte keine mer-Regulatorgene aufweisen.iii) The transposon construct should not have mer regulatory genes exhibit.
Wird ein derartiges Transposon strangabwärts (in 3′-Richtung) zu solchen Regionen der Wirts-DNA insertiert, die hohe Transkriptionsraten bewirken, so können die Gene wegen des geringen Abstandes zu den starken Wirtspromotoren durch diese exprimiert werden, da die RNA-Polymerase an den Promotor bindet und durch das kurze Zwischenstück hindurch das mer-Gen abliest. Durch die hohe Transkriptionsrate wird eine hohe Kopienzahl des RNA-Transkripts erzeugt, das für die Proteine codiert, die für die (Organo-)Quecksilber-Resistenz und Ent giftung verantwortlich sind.If such a transposon is downstream (in the 3′-direction) to those regions of the host DNA that are high Cause transcription rates, so the genes because of the short distance to the strong host promoters by this be expressed as the RNA polymerase attached to the promoter binds and through the short intermediate piece the mer gene reads. Due to the high transcription rate, a high Copy number of the RNA transcript generated for the proteins encoded for the (organo) mercury resistance and Ent poisoning are responsible.
Im Anschluß an das Mating der Zellen werden selektiv dieje nigen Stämme isoliert, die merTPAB konstitutiv hyperexpri mieren, was ihnen die Fähigkeit gibt, Hg in erhöhten Raten unter Bedingungen hoher Quecksilberkonzentrationen aus einer organischen Gruppe abzuspalten und das freigesetzte Hg(II) in die weniger toxische und biologisch nicht verwertbare Form [Hg(0)] zu überführen.Following the mating of the cells, these are selectively some strains isolated, the merTPAB constitutively hyperexpri lubricate what gives them the ability to increase Hg in rates under conditions of high mercury concentrations from one split off organic group and the released Hg (II) in the less toxic and biologically unusable form To transfer [Hg (0)].
In einer zweiten Ausführungsform werden diese Eigenschaften genetisch mit einem Benzol-/Toluol-Katabolismus gekoppelt, so daß Mikroorganismen zur Verfügung gestellt werden, die nicht nur die Metallkomponente von Phenylquecksilberacetat (PMA) reduzieren können, sondern auch den vollständigen Abbau von dessen aromatischer Gruppe ermöglichen. Diese Isolate sind deshalb fähig, PMA als einzige Kohlenstoff- und Energie quelle zu nutzen.In a second embodiment, these properties genetically linked to a benzene / toluene catabolism, so that microorganisms are provided which not just the metal component of phenylmercury acetate (PMA) can reduce, but also complete degradation of its aromatic group. These isolates are therefore capable of making PMA the only carbon and energy source to use.
Die zweckgerichtete Anpassung metabolischer Abläufe durch "genetic engineering" eröffnet die Möglichkeit, verbesserte Mittel für die Entgiftung von Umweltverschmutzungen bereitzu stellen. Man hat verschiedene Strategien eingesetzt, um dieses Ziel zu erreichen. Es ist gelungen, Zwischenprodukte des Katabolismus durch Heranziehen alternativer katabolischer Pathways zu kanalisieren, wie auch "nicht erlaubte" Schritte im Katabolismus durch sequentielle Mutationsselektion zu eli minieren, wodurch die Expansion des Pathway-Substratprofils ermöglicht wird (32, 34, 42). Die vorliegende Erfindung zeigt einen anderen Lösungsweg auf: Die enzymatische Spaltung von chemisch ungleichen Einheiten einer Verbindungsklasse, näm lich eines Organometalls, in die Einzelbestandteile, Hg(II) und Benzol, und die Verbindung von Pathways, um jeden der gebildeten Bestandteile getrennt zu entgiften. The purposeful adjustment of metabolic processes through "genetic engineering" opens up the possibility of improved Preparations for detoxification from environmental pollution put. Different strategies have been used to to achieve this goal. It succeeded in intermediate products of catabolism by using alternative catabolic Channel pathways, as well as "not allowed" steps in catabolism by sequential mutation selection to eli minimize, causing the expansion of the pathway substrate profile is made possible (32, 34, 42). The present invention shows another approach: The enzymatic cleavage of chemically unequal units of a compound class, näm of an organometallic, into the individual components, Hg (II) and benzene, and the connection of pathways to each of the detoxified formed components separately.
Die Erfindung richtet sich dementsprechend sowohl auf konsti tutiv hyperexprimierende Quecksilber-Entgiftungsdeterminanten zur Erzeugung von gegen (Organo-)Quecksilber hochresistente Bakterienstämme, die ihre Zielverbindungen unter erhöhten Hg Konzentrationen in erhöhten Raten entgiften können, als auch auf die Verknüpfung dieser Eigenschaften mit dem Abbau von Benzol, so daß Quecksilber-Benzol-Derivate vollständig abge baut werden können.The invention accordingly addresses both consti tutively hyperexpressing mercury detox determinants for the production of highly resistant to (organo) mercury Strains of bacteria that target their compounds under increased Hg Concentrations in higher rates can detoxify as well on linking these properties with the degradation of Benzene, so that mercury-benzene derivatives completely abge can be built.
Während sich früher Änderungen der Regulation in der Synthese katabolischer Enzyme auf die Modifizierung der Effektor-Ei genschaften bestimmter Regulator-Proteine konzentrierte (32, 42), wird die konstitutive Hyperexpression von Hgr mit breitem Wirkungsspektrum erfindungsgemäß durch Eliminierung der regulatorischen Kontrolle für mer und das ungezielte Mu tagenisieren von P. putida-Wirten mit einem merTPAB-haltigen Mini-Tn5-Element erreicht. Es wurde vorausgesetzt, daß die Transkription von mer-Genen durch Promotoren des exogenen Wirts ausgelöst und durch abgekürzte IS50-Sequenzen gelesen wird.While changes in regulation in the synthesis of catabolic enzymes previously focused on modifying the effector properties of certain regulator proteins (32, 42), the constitutive hyperexpression of Hg r with a broad spectrum of activity is, according to the invention, eliminated by eliminating the regulatory control for mer and that Targeted mutagenization of P. putida hosts achieved with a MerTPAB-containing mini Tn5 element. It has been assumed that the transcription of mer genes is triggered by promoters of the exogenous host and is read by abbreviated IS50 sequences.
Das Plasmid pHG106 enthält ein 4,2 kB langes HindIII-Frag ment, das die merTPAB-DNA für die Konstruktion des durch pUTHg codierten mini-Tn5 (11, 12) lieferte. Die strangauf wärts gelegene HindIII-Stelle, die für die Konstruktion von sowohl pHG106 als auch pUTHg verwendet wurde, könnte jedoch eine Deletion der -35- und der primären -10-Sequenzen des merTPABD-Promotors (Pmer) aufweisen (16, 28). Die für merTPAB codierende DNA in pUTHg weist mit Sicherheit Deletion sowohl des merR- als auch des merD-Regulatorgens auf (11, 12), und so könnten ihr auch Elemente der primären Transkriptionskon trolle fehlen.The plasmid pHG106 contains a 4.2 kB HindIII frag ment that the merTPAB DNA for the construction of the by pUTHg encoded mini-Tn5 (11, 12). The upstream HindIII site located for the construction of both pHG106 and pUTHg could be used, however a deletion of the -35 and primary -10 sequences of the have merTPABD promoters (Pmer) (16, 28). The one for merTPAB DNA encoding in pUTHg certainly shows both deletion of the merR and the merD regulator gene on (11, 12), and you could also use elements of the primary transcription con trolls are missing.
Das Durchtesten einer großen Zahl von P. putida-Mini-Tn5- Akzeptoren nach einer Konjugation zeigte, daß unter den ge testeten Isolaten eine große Variationsbreite an PMA-Resi stenz existierte. Die weitere Charakterisierung selektionier ter, gescreenter Isolate zeigte auch divergierende Werte für Hgr, (Fig. 1), die unterschiedlichen Werten für die Quecksil ber-Reduktase-Aktivität entspricht (Tabelle 2, Fig. 2). Die Southern-Blot-Analyse zeigte, daß tatsächlich Traspositions ereignisse stattgefunden hatten, und daß in jedem der getesteten Isolate eine einzelne Kopie von merTPAB vorhanden war (Fig. 4). Deshalb zeigt der Vergleich verschiedener P. putida::mer-Stämme unterschiedliche Werte der merTPAB-Expres sion, was wahrscheinlich auf unterschiedliche Promotor-Akti vitäten zurückzuführen ist, wobei jedoch eine gründliche Charakterisierung der Transkriptions-Parameter in diesen Iso laten noch aussteht. Die hier vorgestellten Daten stehen des halb in Einklang damit, daß die Transkription von merTPAB in den erzeugten, analysierten P. putida::mer-Stämmen zumindest teilweise durch exogene Promotoren des Wirtes erfolgt.Testing a large number of P. putida mini-Tn5 acceptors after conjugation showed that there was a wide range of PMA resistance among the isolates tested. The further characterization of selected, screened isolates also showed diverging values for Hg r ( FIG. 1), which correspond to different values for the mercury reductase activity (Table 2, FIG. 2). Southern blot analysis showed that transposition events had indeed occurred and that a single copy of merTPAB was present in each of the isolates tested ( Figure 4). Therefore, the comparison of different P. putida :: mer strains shows different values of the merTPAB expression, which is probably due to different promoter activities, although a thorough characterization of the transcription parameters in these isolates is still pending. The data presented here are therefore in line with the fact that the transcription of merTPAB in the P. putida :: mer strains generated and analyzed is at least partially carried out by exogenous promoters of the host.
Die Selektion von hyperexprimierenden P. putida::mer-Deriva ten wurde durch Screenen auf PMA erreicht, eine Originalvor schrift, die den falsch positiven Hintergrund unterdrückt, der beim Screenen auf HgCl2 auftrat. mer-Hyperexprimierende P. putida-Abkömmlinge erwiesen sich als deutlich stärker Hgr/PMAr, eine Erkenntnis, die nicht nur ihre Selektion ermöglichte, sondern auch neu ist, da die gleichen Effekte in E. coli nicht hervorgerufen werden konnten (23, 25, 31).The selection of hyperexpressing P. putida :: mer derivatives was achieved by screening for PMA, an original protocol that suppresses the false positive background that occurred when screening for HgCl 2 . Mer hyperexpressing P. putida progeny proved to be significantly stronger Hg r / PMA r , a finding that not only enabled their selection but is also new, since the same effects could not be produced in E. coli (23, 25 , 31).
Die Erfinder untersuchten annähernd 2000 mit mini-Tn5-mer mutagenisierte Derivate von P. putida KT2442 und F1. Die folgenden Stämme wurden bei der Deutschen Sammlung für Mikroorganismen hinterlegt:The inventors examined approximately 2000 with mini-Tn5-mer mutagenized derivatives of P. putida KT2442 and F1. The following strains were in the German collection for Microorganisms deposited:
P. putida KT 2442 : : mer-73 DSM 7 209
P. putida F1 : : mer-1-1 DSM 7 208P. putida KT 2442:: mer-73 DSM 7 209
P. putida F1:: mer-1-1 DSM 7 208
Der Wahrscheinlichkeit nach sollte bei der gegebenen Anzahl von getesteten Isolaten unter den verwendeten Bedingungen der höchste erreichbare Wert für die PMAr aufgefunden worden sein. Wenn in vivo durch die Einschränkungen des Hg(II)- Transports höhere Werte an Resistenz gefunden werden, können diese in P. putida durch das hier beschriebene Verfahren definiert worden sein. Ein alternativer Versuch zur Errei chung noch höherer Hg(II)-Reduktion in vivo könnte sein, die Transport-Determinanten, merTP, unter definierte, aber von merAB getrennte Regulationskontrolle zu bringen. merAB co diert für das (Organo-)Quecksilber transformierende Funktio nen.With the given number of isolates tested, the probability that the highest achievable value for the PMA r should have been found under the conditions used. If higher values of resistance are found in vivo due to the limitations of Hg (II) transport, these may have been defined in P. putida by the method described here. An alternative attempt to achieve even higher Hg (II) reduction in vivo could be to bring the transport determinants, merTP, under defined, but separate from merAB regulatory control. merAB codes for the (organo) mercury transforming functions.
Konstitutive Hyperexpression von merTPAB erzeugt offensicht lich unmittelbare Hgr, sogar unter toxischen Konzentrationen von Hg(II), und es wurden keine Auswirkungen der mer-Hyperex pression auf die Wachstumsraten der Kulturen gefunden (Fig. 3). Durch Vereinigen der konstitutiven Hyperexpression von merTPAD mit der Kapazität von P. putida F1, Benzol abzubauen, wurde sowohl Wachstum als auch Entgiftung von PMA erreicht, wenn dieses als einzige Kohlenstoff- und Energiequelle einge setzt wurde.Constitutive hyperexpression of merTPAB apparently produces immediate Hg r , even under toxic concentrations of Hg (II), and no effects of mer hyperexpression on the growth rates of the cultures were found ( Fig. 3). By combining the constitutive hyperexpression of merTPAD with the capacity of P. putida F1 to degrade benzene, both growth and detoxification of PMA was achieved when it was used as the sole source of carbon and energy.
Die vorliegend beschriebenen Isolate von P. putida::mer weisen vorteilhafte Eigenschaften für die Entgiftung von Hg- haltigen Abfällen sowohl in Behältern als auch in der freien Umwelt auf. Da sich die Lösungsstrategie der vorliegenden Er findung auf enzymatische Reduktion stützt, ist sie spezifisch für (gebildetes) Hg(II) und vermeidet die unselektiven Eigen schaften derzeit gängiger adsorptiver Systeme.The isolates of P. putida :: mer have beneficial properties for the detoxification of mercury containing waste both in containers and in the open Environment. Since the solution strategy of the present Er is based on enzymatic reduction, it is specific for (formed) Hg (II) and avoids the unselective eigen currently used adsorptive systems.
Die vorliegend beschriebenen Stämme sind in der Lage, in Gegenwart hochkonzentrierter Quecksilberverbindungen zu wach sen und diese Fähigkeit konstitutiv zu exprimieren; der Zelltod in hochbelasteten Abfällen vor der vollständigen Induktion der Expression wird verhindert. Ferner ist unter Bedingungen, in denen die Hg(II)-Konzentrationen in der Umgebung unterhalb der Toxizität liegen und zu niedrig sind, um in eingesessenen Populationen Hg(II)-Reduktion zu induzie ren, eine konstitutive Bioentgiftung ebenfalls von Vorteil.The strains described here are able to Too awake in the presence of highly concentrated mercury compounds sen and express this ability constitutively; the Cell death in highly contaminated waste before complete Induction of expression is prevented. Furthermore, is under Conditions in which the Hg (II) concentrations in the Environment are below toxicity and are too low, to induce Hg (II) reduction in established populations ren, constitutive bio-detoxification is also an advantage.
P. putida ist ein in der Natur vorkommender, den Boden besie delnder Organismus, der beinahe ubiquitär verteilt ist. Des halb sollten P. putida::mer-Stämme weniger Risiken bezüglich der Aufrechterhaltung des natürlichen ökologischen Gleichge wichts bergen, wenn sie absichtlich als Mittel zum Unschäd lichmachen von (Organo-)Quecksilber freigesetzt würden. Die genetische Analyse zeigt auch, daß eine einzelne Kopie des mer-Operons stabil in das Wirtschromosom eingebaut ist (Fig. 4); das Risiko der Übertragung von merTPAB auf natürlich in der entsprechenden Umgebung vorkommende Organismen sollte deshalb deutlich reduziert sein.P. putida is a naturally occurring, soil-colonizing organism that is almost ubiquitously distributed. This is why P. putida :: mer strains should pose fewer risks in maintaining the natural ecological balance if they are deliberately released as a means of neutralizing (organo) mercury. Genetic analysis also shows that a single copy of the mer operon is stably built into the host chromosome ( Fig. 4); the risk of transmission of merTPAB to organisms naturally occurring in the corresponding environment should therefore be significantly reduced.
P. putida::mer-Isolate entgiften sowohl Hg-Salze als auch Or ganoquecksilberverbindungen, und P. putida F1::mer-Abkömm linge sind fähig, Benzol- und Toluol-Quecksilberderivate als einzige Kohlenstoffquelle zu nutzen. Dies gibt die Möglich keit, Mischungen von Hg-haltigen Verbindungen wie auch Benzol und Toluol, die ihrerseits toxisch sind, zu entgiften. Die Notwendigkeit, dem System von außen Nährstoffe zuzuführen, könnte sich ebenfalls erübrigen, während gleichzeitig eine Toxizität für die Zelle durch eine Akkumulierung von aromati schen Endprodukten vermieden wird.P. putida :: mer isolates detoxify both Hg salts and Or gano mercury compounds, and P. putida F1 :: mer derivative linge are able to use benzene and toluene mercury derivatives to use only carbon source. This makes it possible speed, mixtures of mercury-containing compounds as well as benzene and detoxify toluene, which in turn is toxic. The Need to add nutrients to the system from outside, could also be superfluous while a Toxicity to the cell due to an accumulation of aromati end products is avoided.
Durch Manipulation der natürlich auftretenden bakteriellen Systeme für die Entgiftung von Quecksilberverbindungen werden verbesserte Möglichkeiten und Mittel zur Behandlung von quecksilberhaltigen Abfallströmen und kontaminierten Orten zur Verfügung gestellt.By manipulating the naturally occurring bacterial Systems for the detoxification of mercury compounds will be improved ways and means of treating Mercury-containing waste streams and contaminated locations made available.
Die Fähigkeit zur Hg-Transformation ist mittels der Atomabsorptionsspektroskopie, on-line, ermittelt worden. Dabei ist eine im Vergleich zu P. putida KT2442::Tn501-132, 10fach verbesserte Umsatzgeschwindigkeit festgestellt worden.The ability to transform Hg is by means of Atomic absorption spectroscopy, on-line, has been determined. One is in Compared to P. putida KT2442 :: Tn501-132, improved 10-fold Sales speed has been determined.
Die Erfindung soll im folgenden anhand von Figuren, Tabellen und Beispielen näher erläutert werden.The invention is intended in the following with reference to figures, tables and examples are explained in more detail.
Die Figuren zeigen im einzelnen:The figures show in detail:
In Fig. 1 ist die maximale Resistenz von P. putida::mer-Isola ten gegenüber HgCl2 und PMA aufgetragen. Dabei handelt es sich um die höchsten Konzentrationen an PMA in festem (∎) bzw. flüssigem () und an HgCl2 in festem () bzw. flüssigem () LP121-Medium, bei denen Wachstum der P. putida::mer- Stämme noch möglich war. 10 bzw. 15 µg/ml PMA in flüssigem bzw. festem LP121-Medium inhibierten das Wachstum von P. putida KT2442::Tn501-132 und der elterlichen Stämme P. putida KT2442 und F1. Das Wachstum der elterlichen Stämme wurde auch durch HgCl2 in Konzentrationen von 6 bzw. 35 µg/ml in flüssi gem bzw. festem LP121-Medium inhibiert.In Fig. 1, the maximum resistance of P. putida :: mer isolates against HgCl 2 and PMA is plotted. These are the highest concentrations of PMA in solid (∎) or liquid () and of HgCl 2 in solid () or liquid () LP121 medium, at which growth of the P. putida :: mer strains still occurs was possible. 10 or 15 µg / ml PMA in liquid or solid LP121 medium inhibited the growth of P. putida KT2442 :: Tn501-132 and the parental strains P. putida KT2442 and F1. The growth of the parental strains was also inhibited by HgCl 2 in concentrations of 6 or 35 µg / ml in liquid or solid LP121 medium.
Fig. 2 zeigt die Korrelation der PMA- bzw. HgCl2-Resistenz mit der merTPAD-Expression. Dabei wurde die gemittelte Quecksil ber-Reduktase-Aktivität (in Gegenwart von bzw. ohne Hg, Tabelle 2) von 22 untersuchten Isolaten als Funktion ihrer maximalen PMA-Resistenz, beobachtet in flüssigem (○) oder festem (⚫) LP121-Medium, bzw. als Funktion ihrer maximalen Hg-Resistenz in flüssigem () oder festem LP121-Medium (∎) dargestellt. Oberhalb einer jeden graphischen Darstellung sind quadratische Gleichungen für die dargestellten Graphen mit den entsprechenden Korrelations-Koeffizienten (R2) ange geben. Der F-Wert, eine statistische Determinante für die An passung der Daten an die berechneten Graphen, wurde für die Daten der graphischen Darstellungen A, B, C, D bzw. E mit 8,74, 3,05, 2,45, 1,52 bzw. 6,53 berechnet. Werte von mehr als 4,32 für F (Darstellungen A, B, C und D) oder 3,96 (Darstellung E) zeigen eine signifikante (95% Sicherheit) Korrelation zwischen den Daten und der gezeigten Funktion. Fig. 2 shows the correlation of PMA or HgCl 2 shows -resistance with the merTPAD expression. The mean mercury reductase activity (in the presence of or without Hg, Table 2) of 22 isolates examined as a function of their maximum PMA resistance, observed in liquid (○) or solid (⚫) LP121 medium, resp shown as a function of their maximum mercury resistance in liquid () or solid LP121 medium (∎). Square equations for the graphs with the corresponding correlation coefficients (R 2 ) are given above each graph. The F-value, a statistical determinant for the adaptation of the data to the calculated graphs, was 8.74, 3.05, 2.45, 1 for the data of the graphs A, B, C, D and E, respectively , 52 and 6.53 respectively. Values greater than 4.32 for F (representations A, B, C and D) or 3.96 (representation E) show a significant (95% certainty) correlation between the data and the function shown.
Fig. 3 zeigt das Wachstum von P. putida-Stämmen in Gegenwart von HgCl2. LP121-Medien mit 6 µg/ml HgCl2 (∎), mit 6 µg/ml HgCl2, zugesetzt bei A600=0,5 (▲), oder ohne den Zusatz von HgCl2 (○) wurden mit einer Kultur in stationärer Phase beimpft (1 : 100) und bei 30°C inkubiert. P. putida::Tn501-132 wurde vor der Zugabe von HgCl2 in der midlog-Phase mit 10 µM HgCl2 2 Stunden lang vorinduziert. Figure 3 shows the growth of P. putida strains in the presence of HgCl 2 . LP121 media with 6 µg / ml HgCl 2 (∎), with 6 µg / ml HgCl 2 , added at A 600 = 0.5 (▲), or without the addition of HgCl 2 (○) were grown with a culture in stationary Inoculated phase (1: 100) and incubated at 30 ° C. P. putida :: Tn501-132 was pre-induced with 10 µM HgCl 2 in the midlog phase for 2 hours before the addition of HgCl 2 .
Fig. 4 zeigt eine Hybridisierungs-Analyse nach Southern von P. putida::mer-Stämmen. Die Blots wurden mit einem aus pUTHg stammenden, merTPAB enthaltenden markierten Fragment (3,2 kB) als Sonde versehen. Die Spuren der Abb. (A) zeigen P. putida::mer KT2442-Stämme: 1: P. putida::mer KT2442 (SfiI); 2: -67 (SfiI); 3: -73 (SfiI); 4: -2-4 (SfiI); 5: -2-49 (SfiI); 6: -2-121 (SfiI); 7: pUTHg (SfiI); 8. -67 (EcoRI); 9: -73 (EcoRI); 10: -2-4 (EcoRI). Die Spuren der Abb. (B) zeigen P. putida::mer F1-Stämme: 1: P. putida::mer F1 (SfiI); 2: -1-1 (SfiI); 3: -1-7 (SfiI); 4: pUTHg (SfiI); 5: -1-22 (SfiI); 6: -10 (SfiI); 7: -13 (SfiI); 8: putida::mer KT2442::Tn501-132 (AvaI); 9: pUTHg (EcoRI). Figure 4 shows a Southern hybridization analysis of P. putida :: mer strains. The blots were probed with a labeled fragment (3.2 kB) derived from pUTHg and containing merTPAB. The traces of Fig. (A) show P. putida :: mer KT2442 strains: 1: P. putida :: mer KT2442 (SfiI); 2: -67 (SfiI); 3: -73 (SfiI); 4: -2-4 (SfiI); 5: -2-49 (SfiI); 6: -2-121 (SfiI); 7: pUTHg (SfiI); 8. -67 (EcoRI); 9: -73 (EcoRI); 10: -2-4 (EcoRI). The traces of Fig. (B) show P. putida :: mer F1 strains: 1: P. putida :: mer F1 (SfiI); 2: -1-1 (SfiI); 3: -1-7 (SfiI); 4: pUTHg (SfiI); 5: -1-22 (SfiI); 6: -10 (SfiI); 7: -13 (SfiI); 8: putida :: mer KT2442 :: Tn501-132 (AvaI); 9: pUTHg (EcoRI).
Die in der vorliegenden Erfindung verwendeten Bakterienstämme und Plasmide sind in Tabelle 1 dargestellt. L-Medium enthielt 1% Trypton (Difco), 0,5% Hefeextrakt (Difco) und 0,5% NaCl. M9- und M63-Minimalmedien (19) wurden jeweils durch 0,2% Citrat als Kohlenstoffquelle ergänzt. 0,001% Pseudomonas- Stanimsalze (1) ergänzten zusätzlich das Minimal-M9-Medium; 0,1% Casaminosäuren (Difco) wurden zum M63-Minimalmedium gegeben. 121-Salze-Minimalmedium mit geringem Phosphatgehalt (100 µM) (LP121) wurde wie bereits beschrieben (14) herge stellt. Die Medien wurden mit 1,5% Agar (Difco) verfestigt. In Selektionsmedien wurden Antibiotika in den folgenden Kon zentrationen (pro ml) verwendet: Rifampicin (Rif): 50 µg; Kanamycin (Km): 30 µg; Ampicillin (Ap): 50 µg; Carbenicillin (Cb): 500 µg; Piperacillin (Pc): 30 µg. Hg(II), in Form von HgCl2 (Sigma) aus einer Vorratslösung von 10 mg/ml, wurde in den angegebenen Konzentrationen zu den vorgekühlten Medien gegeben. Konzentrierte Vorratslösungen von Phenylquecksil beracetat (PMA) (Sigma) (1 mg/ml) wurden 2 Stunden lang bei 30°C heftig geschüttelt, bevor sie den Medien in den angege benen Konzentrationen zugesetzt wurden.The bacterial strains and plasmids used in the present invention are shown in Table 1. L medium contained 1% tryptone (Difco), 0.5% yeast extract (Difco) and 0.5% NaCl. M9 and M63 minimal media (19) were each supplemented with 0.2% citrate as a carbon source. 0.001% Pseudomonas stanim salts ( 1 ) additionally supplemented the minimal M9 medium; 0.1% casamino acids (Difco) were added to the M63 minimal medium. Minimal salt medium with a low phosphate content (100 μM) (LP121) was prepared as previously described (14). The media were solidified with 1.5% agar (Difco). Antibiotics were used in the following concentrations (per ml) in selection media: rifampicin (Rif): 50 µg; Kanamycin (Km): 30 µg; Ampicillin (Ap): 50 µg; Carbenicillin (Cb): 500 µg; Piperacillin (Pc): 30 µg. Hg (II), in the form of HgCl 2 (Sigma) from a stock solution of 10 mg / ml, was added to the pre-cooled media in the stated concentrations. Concentrated stock solutions of phenylmercury acetate (PMA) (Sigma) (1 mg / ml) were shaken vigorously at 30 ° C for 2 hours before being added to the media at the concentrations indicated.
Das transposonhaltige Plasmid ist aus Escherichia coli SM10 lambda pir (pUT-Hg) durch Mobilisierung mit einer biparentalen Filter-Mating-Technik in entweder P. putida KT2442- oder P. putida F1-Recipienten transferiert worden (6). Einzelne Kulturen der Donoren und der Akzeptoren wurden bei 30°C in L-Medium, das durch selektive Antibiotika ergänzt war, bis zur stationären Phase gezüchtet. 0,4 ml des Akzeptor-Stammes und 0,1 ml eines jeden Donors wurden in 5 ml L-Medium vermischt und dann fil triert (0,2 u Swinnex). Die Filter wurden mit der Zellseite nach oben auf die Oberfläche von L-Medium-Platten gegeben und bei 37°C 9 h lang inkubiert. Die Konjugationsprodukte wurden dann in 5 ml 0,85-%iger Salzlösung resuspendiert, und ge eignete Verdünnungen wurden auf selektiven Medien ausplat tiert. M9-Medium, supplementiert mit Rif und 6 µg/ml HgCl2, wurde verwendet, um auf pFRC37p-Mobilisierung und Tn501- Transposition in P. putida KT2442 zu selektionieren. M63- Medium mit Rif und 1,5 µg/ml HgCl2 wurde verwendet, um auf pUTHg-Mobilisierung und mini-Tn5-Transposition in P. putida KT2442 zu selektionieren. M63-Medium, nur durch 1,5 µg/ml HgCl2 supplementiert, wurde für die Selektion auf die Mobili sierung von pUTHg und die mini-Tn5-Transposition in P. putida F1 verwendet. Selektive Platten wurden bei 30°C inkubiert. Die Exkonjugantien wurden entweder auf M9-Medium mit Rif und 6 µg/ml HgCl2 auf die Paarung C600 (pFRC37p) P. putida KT2442 oder auf M63-Medium, ergänzt durch 10 µg/ml PMA, auf die Akzeptoren der der pUT-Hg-Paarungsergebnisse durchgetestet. Die gescreenten Konjugationsprodukte wurden auch daraufhin untersucht, ob sie, soweit es sich um P. putida KT2442 han delte, gegenüber Rif resistent waren (Rifr), bzw. ob sie ge genüber Cb, Pc und Km empfindlich waren (Cbs, Pcs bzw. Kms).The transposon-containing plasmid was transferred from Escherichia coli SM10 lambda pir (pUT-Hg) by mobilization with a biparental filter-mating technique into either P. putida KT2442 or P. putida F1 recipients (6). Individual cultures of the donors and the acceptors were grown to the stationary phase at 30 ° C. in L medium supplemented with selective antibiotics. 0.4 ml of the acceptor strain and 0.1 ml of each donor were mixed in 5 ml of L medium and then filtered (0.2 u Swinnex). The filters were placed cell-side up on the surface of L medium plates and incubated at 37 ° C for 9 hours. The conjugation products were then resuspended in 5 ml of 0.85% saline and suitable dilutions were plated on selective media. M9 medium supplemented with Rif and 6 µg / ml HgCl 2 was used to select for pFRC37p mobilization and Tn501 transposition in P. putida KT2442. M63 medium with Rif and 1.5 µg / ml HgCl 2 was used to select for pUTHg mobilization and mini-Tn5 transposition in P. putida KT2442. M63 medium, supplemented only by 1.5 µg / ml HgCl 2 , was used for the selection for the mobilization of pUTHg and the mini-Tn5 transposition in P. putida F1. Selective plates were incubated at 30 ° C. The exconjugants were either on M9 medium with Rif and 6 µg / ml HgCl 2 on the pairing C600 (pFRC37p) P. putida KT2442 or on M63 medium, supplemented by 10 µg / ml PMA, on the acceptors of the pUT-Hg -Pairing results tested. The screened conjugation products were also examined to determine whether, as far as P. putida KT2442 was concerned, they were resistant to Rif (Rif r ) or whether they were sensitive to Cb, Pc and Km (Cb s , Pc s or Km s ).
Die Konjugationsprodukte der P. putida-Stämme wurden von L- Medium-Platten mit 10 µg/ml PMA auf L-Medium-Platten mit 50 bis 250 µg/ml PMA replikaplattiert. Diejenigen Stämme, die bei erhöhten PMA-Konzentrationen Wachstum isolierter Kolonien aufwiesen, wurden weiterhin auf das Wachstum isolierter Kolo nien auf LP121-Platten untersucht, die entweder 1,5 bis 60 µg/ml HgCl2 oder 10 bis 75 µg/ml PMA enthielten. Die Stämme von P. putida wurden auf die oberen Grenzwerte von Hgr in flüssigem Medium hin untersucht, indem die Kulturen isolier ter Konjugationsprodukte bei 30°C in LP121-Medium bis zur mid-log-Phase (A600 = 0,5) gezüchtet wurden, worauf ihnen HgCl2 oder PMA entsprechend der Endkonzentration zugesetzt wurde (alternativ wurden die pFRC37p-Exkonjugantien bei A600 = 0,5 mit 0,8 µg/ml HgCl2 induziert und dann zwei Stunden lang vorinkubiert, worauf ihnen HgCl2 bis zur Endkonzentration zugesetzt wurde). Die A600 wurde nach etwa 4 Stunden Wachstum in HgCl2 oder PMA bestimmt und mit der A600 paralleler Kul turen verglichen, die unter den gleichen Bedingungen, jedoch ohne Zusatz von HgCl2 bzw. PMA, gezüchtet worden waren.The conjugation products of the P. putida strains were replica-plated from L medium plates with 10 µg / ml PMA to L medium plates with 50 to 250 µg / ml PMA. Those strains that showed growth of isolated colonies at elevated PMA concentrations were further examined for the growth of isolated colonies on LP121 plates containing either 1.5 to 60 µg / ml HgCl 2 or 10 to 75 µg / ml PMA. The strains of P. putida were examined for the upper limits of Hg r in liquid medium by growing the cultures of isolated conjugation products at 30 ° C. in LP121 medium until the mid-log phase (A 600 = 0.5) whereupon HgCl 2 or PMA was added depending on the final concentration (alternatively, the pFRC37p exconjugants at A 600 = 0.5 were induced with 0.8 µg / ml HgCl 2 and then preincubated for two hours, after which HgCl 2 until Final concentration was added). The A 600 was determined after about 4 hours of growth in HgCl 2 or PMA and compared with the A 600 parallel cultures which had been grown under the same conditions but without the addition of HgCl 2 or PMA.
Kulturen stationärer Phase von P. putida-Stämmen wurden in LP121-Minimalmedium angeimpft (1 : 100). Parallele Kulturen, die bei 30°C ohne HgCl2 oder mit einer Anfangskonzentration von 6 µg/ml HgCl2 oder mit einem Zusatz von 6 µg/ml HgCl2 nach Erreichen der mid-log-Phase (Tn501-haltiger Stamm wurde eine Stunde lang mit 2,7 µg/ml HgCl2 vorinduziert, bevor 6 µg/ml zur midlog zugesetzt wurden) gezogen worden waren, wur den in regelmäßigen Abständen durch Bestimmung der A600 über wacht. Auszählen von Platten mit Lebendkulturen wurde verwen det, um die Ergebnisse zu sichern.Stationary cultures of P. putida strains were inoculated in LP121 minimal medium (1: 100). Parallel cultures that were at 30 ° C without HgCl 2 or with an initial concentration of 6 µg / ml HgCl 2 or with an addition of 6 µg / ml HgCl 2 after reaching the mid-log phase (Tn501-containing strain were for one hour pre-induced with 2.7 µg / ml HgCl 2 before 6 µg / ml were added to the midlog) were monitored at regular intervals by determining the A 600 . Counting plates with live cultures was used to ensure the results.
Die Zellen wurden bei 30°C in LP121-Kulturen von 50 ml bis zu A600 = 0,5 gezüchtet, worin man sie entweder ohne Zusatz von HgCl2 weiterwachsen ließ, oder worauf HgCl2 in der höchsten Konzentration zugesetzt wurde, die Wachstum noch zuließ (wenn es sich um Konjugationsprodukte (Exkonjugantenstämme) von pUTHg handelte), oder worauf sie 2 Stunden lang mit 0,8 µg/ml HgCl2 induziert wurden (Tn501-haltiger Stamm) und dann mit HgCl2 auf 6 µg/ml versetzt wurden. Die Kulturen wurden bis zu einem Endwert von A600 = 1,5 gezüchtet und dann durch Zen trifugation geerntet (10 500·g, 10 min., 4°C), einmal mit 20 ml kaltem 100 mM NaPO4 (pH 7,5), 0,5 mM EDTA (Fluka), 0,1% β-Mercaptoethanol (Sigma) gewaschen und in 1 ml des glei chen Puffers resuspendiert. Die Zellen wurden mit Ultraschall lysiert (50W, 2 min., B. Braun Labsonic U), und die unlösliche Fraktion wurde abzentrifugiert (27 000·g, 4°C, 30 min.). Der Überstand wurde mit Hilfe einer Modifikation des Verfahrens von Fox und Walsh (8) und Schottel (36) auf Quecksilber-Reduktase getestet. Hierzu sei kurz ausgeführt, daß 0,2 ml Rohextrakt zu einer Testmischung gegeben wurden, die Endkonzentrationen von 50 mM NaPO4(pH 7,5), 200 µM NADPH (Sigma), 1 mM β-Mercaptoethanol und 100 µM HgCl2 in einem Reaktionsvolumen von insgesamt 3 ml enthielt. Die Umsetzungen wurden 4 Minuten lang bei 25°C durchgeführt, und während die ser Zeit wurde die Oxidation von NADPH spektrophotometrisch bei 340 nm verfolgt; die Hintergrundwerte der NADPH-Oxidation wurden bestimmt, indem Parallelumsetzungen ohne HgCl2 beob achtet wurden. Die Proteinkonzentrationen wurden mit Hilfe der BCA-Bestimmung (Pierce) ermittelt, durchgeführt gemäß den Empfehlungen des Herstellers.The cells were grown at 30 ° C in LP121 cultures from 50 ml to A 600 = 0.5 where they were either allowed to continue growing without the addition of HgCl 2 or where HgCl 2 was added at the highest concentration, the growth still (if they were conjugation products (ex-conjugant strains) of pUTHg), or where they were induced with 0.8 µg / ml HgCl 2 for 2 hours (strain containing Tn501) and then HgCl 2 was added to 6 µg / ml . The cultures were grown to a final value of A 600 = 1.5 and then harvested by centrifugation (10,500 x g, 10 min., 4 ° C.), once with 20 ml of cold 100 mM NaPO 4 (pH 7.5 ), 0.5 mM EDTA (Fluka), 0.1% β-mercaptoethanol (Sigma) and resuspended in 1 ml of the same buffer. The cells were lysed with ultrasound (50W, 2 min., B. Braun Labsonic U) and the insoluble fraction was centrifuged off (27,000 × g, 4 ° C., 30 min.). The supernatant was tested for mercury reductase using a modification of the method by Fox and Walsh (8) and Schottel (36). For this purpose it should be briefly stated that 0.2 ml of crude extract was added to a test mixture, the final concentrations of 50 mM NaPO 4 (pH 7.5), 200 μM NADPH (Sigma), 1 mM β-mercaptoethanol and 100 μM HgCl 2 in one Contained a total reaction volume of 3 ml. The reactions were carried out at 25 ° C for 4 minutes and during this time the oxidation of NADPH was monitored spectrophotometrically at 340 nm; the background values of the NADPH oxidation were determined by observing parallel reactions without HgCl 2 . The protein concentrations were determined using the BCA determination (Pierce), carried out according to the recommendations of the manufacturer.
Genomische DNA wurde nach dem Verfahren von Richards (33) isoliert; Plasmid-DNA wurde durch alkalische Lyse isoliert und durch CsCl-Gleichgewichts-Zentrifugation gereinigt (35). 10 µg genomischer DNA wurden entweder mit Aval oder SfiI oder EcorI verdaut, und 0,1 µg der Plasmid-DNA wurden mit SfiI (Boehringer Mannheim) gemäß den Angaben des Herstellers ge schnitten. Verdaute DNA-Proben wurden über ein 0,7% Agarose- Plattengel (35) laufen gelassen. Die Gele wurden auf Biodyne "B"-Membranen (Pall Biosupport) geblottet, und die Membranen wurden mit markierten DNA-Sonden gemäß den Vorschlägen des Herstellers hybridisiert. Die DNA-Fragmente, die als Sonden eingesetzt wurden, wurden unter Verwendung von Gene Clean (Bio 101, Inc.,) von Agarose-Plattengelen isoliert; als Sonde eingesetzte Fragment- wie auch Plasmid-DNA wurden in vitro mit [alpha-32P]-dCTP (Amersham) markiert, und zwar unter Ver wendung zufälliger Primer-Verlängerung ("random primer exten sion") (Multiprime DNA-Labeling System, Amersham). Genomic DNA was isolated by the method of Richards (33); Plasmid DNA was isolated by alkaline lysis and purified by CsCl equilibrium centrifugation (35). 10 µg of genomic DNA was digested with either Aval or SfiI or EcorI, and 0.1 µg of the plasmid DNA was cut with SfiI (Boehringer Mannheim) according to the manufacturer's instructions. Digested DNA samples were run over a 0.7% agarose plate gel (35). The gels were blotted on Biodyne "B" membranes (Pall Biosupport) and the membranes were hybridized with labeled DNA probes according to the manufacturer's suggestions. The DNA fragments used as probes were isolated from agarose plate gels using Gene Clean (Bio 101, Inc.,); Fragment and plasmid DNA used as a probe were labeled in vitro with [alpha- 32 P] -dCTP (Amersham), using random primer extension ("multiprime DNA labeling system") , Amersham).
Theoretisch könnte die Hyperexpression von Determinanten mit breitem Wirkungsspektrum zu erhöhten Resistenzwerten gegen über Organoquecksilberverbindungen und gleichzeitig einem An stieg der Entgiftungseigenschaften der entstandenen Stämme gegenüber (Organo-)Quecksilberverbindungen führen.Theoretically, the hyperexpression of determinants could broad spectrum of activity to increased resistance values against about organo mercury compounds and at the same time an increased the detoxification properties of the resulting strains lead to (organo) mercury compounds.
Um eine Überproduktion der mer-Genprodukte zu erzielen, wurde erfindungsgemäß das Plasmid pUTHg eingesetzt, das ein Repli kon mit enger Wirtsspezifität ist und für die merTPAB-Queck silber-Resistenz mit breitem Wirkungsspektrum, von pDU1358 stammend, codiert (11). Die pUTHg-merTPAB-Gene werden von den invertierten Wiederholungssequenzen von Tn5 flankiert, die auf 19 Basenpaare (Bp) verkürzt sind. Das Transposase-Gen (tnp*) ist auf pUTHg bezüglich des transponierenden Elementes von Tn5 extern angeordnet, und merR und merD, die für mer- Regulatorproteine codieren, wurden aus dem Konstrukt elimi niert (siehe unten, 11, 12).In order to achieve an overproduction of the mer gene products, According to the invention, the plasmid pUTHg is used, which is a Repli kon with narrow host specificity and for the merTPAB-mercury silver resistance with a broad spectrum of activity, from pDU1358 originating, coded (11). The pUTHg-merTPAB genes are derived from the inverted repeat sequences flanked by Tn5 that are reduced to 19 base pairs (bp). The transposase gene (tnp *) is on pUTHg regarding the transposing element of Tn5 arranged externally, and merR and merD, which for mer- Regulating regulatory proteins were derived from the elimi construct niert (see below, 11, 12).
Da vorangehende Studien gezeigt haben, daß ein Anstieg der mer-Gen-Dosis in Escherichia coli nicht gleichermaßen zu einem Anstieg der Quecksilber-Resistenz führte (23, 25), wur den zwei Stämme von P. putida als Akzeptoren für pUTHg in biparentalen Matings ausgewählt. P. putida F1 ist ein in der Natur vorkommendes, den Boden besiedelndes Isolat (10), wäh rend P. putida KT 2442 ein gegenüber Rifampicin resistenter Abkömmling eines isolierten Bodenorganismus ist (18). Boden isolate wurden primär wegen ihrer potentiellen Verwendbar keit für die Sanierung von mit Quecksilber verseuchten Böden und Wässern verwendet. Beide Stämme sind bereits in der Ver gangenheit charakterisiert worden, und F1 beinhaltet einen durch seine Chromosomen codierten Pathway für den Katabolis mus von Benzol (10). Der Benzolabbau könnte also in diesem Organismus mit der Entgiftung von Quecksilber gekoppelt werden. Since previous studies have shown that an increase in mer gene dose in Escherichia coli not equally increased mercury resistance (23, 25) the two strains of P. putida as acceptors for pUTHg in biparental matings selected. P. putida F1 is one in the Naturally occurring, soil-isolating isolate (10) rend P. putida KT 2442 a rifampicin resistant Is the descendant of an isolated soil organism (18). Floor isolates were primarily used because of their potential uses for the restoration of floors contaminated with mercury and water used. Both strains are already in the Ver has been characterized, and F1 includes one through its chromosomes coded pathway for the catabolis mus of benzene (10). So the benzene breakdown could be in this Organism coupled with the detoxification of mercury become.
Nach dem "Mating", also dem "Paaren" der Akzeptoren P. putida KT2442 bzw. F1 mit dem geeigneten Donorstamm unter Konjugationsbedingungen, konnte man feststellen, daß die Transpositionsfrequenzen für die merTPAB-Gene in sinnvoller Weise mit früher beobachteten (12) übereinstimmten. Um wei tere Screenings zu erleichtern und um die Resistenz gegenüber Organoquecksilber-Verbindungen zu sichern, wurden 1025 Iso late aus der Konjugation von P. putida KT2442 und 800 aus der von P. putida F1 auf mit 10 µg/ml PMA ergänztes L-Medium übertragen.After the "mating", ie the "pairing" of the acceptors P. putida KT2442 or F1 with the appropriate donor strain below Conjugation conditions, it was found that the Transposition frequencies for the merTPAB genes in more meaningful Way with previously observed (12). To white easier screenings and resistance to Securing organo mercury compounds was 1025 Iso late from the conjugation of P. putida KT2442 and 800 from the from P. putida F1 to L medium supplemented with 10 µg / ml PMA transfer.
Da angenommen wurde, daß die Mini-Tn5-merTPAB-Transposition bezüglich der Zielorte im allgemeinen ungerichtet verläuft, wurde der Schluß gezogen, daß Insertionen, die strangabwärts zu proximalen Wirts-Promotoren gelegen sind, zu einem Anstieg der mer-Expression führen könnten, wobei gleichzeitig die Hg- und PMA-Resistenz (Hgr PMAr) ansteigen sollte. Deshalb wurde die weitere Selektion der Akzeptor-Isolate mit erhöhter Hgr/PMAr durchgeführt, indem diese Produkte der Konjugation von P. putida KT2442 und F1 auf quecksilber(II)-haltigem L-Medium gescreent wurden. Da festgestellt wurde, daß bei hohen Zelldichten häufig auch die Hg-empfindlichen (Hgs) Stämme auf HgCl2-haltigen Medien wachsen, wurde den L-Medien bevorzugt das wenig flüchtige Phenylquecksilberacetat (von 50 bis 250 µg/ml) zugesetzt. Durch dieses Verfahren wird die Selektion von falsch-positiven Klonen vermieden; die resistenten Phäno typen lassen sich klar von den sensitiven unterscheiden.Since it was assumed that the mini-Tn5-merTPAB transposition was generally undirected with respect to the target sites, it was concluded that inserts located downstream of proximal host promoters could lead to an increase in mer expression, whereby Hg and PMA resistance (Hg r PMA r ) should increase at the same time. Therefore, the further selection of the acceptor isolates with increased Hg r / PMA r was carried out by screening these products of the conjugation of P. putida KT2442 and F1 on mercury (II) -containing L medium. Since it was found that at high cell densities the Hg-sensitive (Hg s ) strains often grow on media containing HgCl 2 , the less volatile phenylmercury acetate (from 50 to 250 µg / ml) was preferably added to the L media. This method avoids the selection of false positive clones; the resistant phenotypes can be clearly distinguished from the sensitive ones.
Unterschiedliches Wachstum der P. putida KT2442·pUTHg-Exkon jugantien wurde auf Medien beobachtet, die 50 bis 80 µg/ml PMA enthielten, während die P. putida F1·pUTHg-Isolate unter schiedliches Wachstum auf Medien zeigten, die 50 bis 250 µg/ml PMA enthielten. Oberhalb dieser Obergrenzen der PMA-Konzen tration wuchs keines der getesteten Isolate. Einzelne repräsentative Konjugationsprodukt-Stämme (20 P. putida KT2442·pUTHg und 20 P. putida F1·pUTHg), die Wachstum isolierter Kolonien auf PMA-haltigem L-Medium zeigten, wurden für weitere Untersuchungen ausgewählt. Different growth of P. putida KT2442 · pUTHg-Exkon jugants were observed on media containing 50 to 80 µg / ml PMA contained while the P. putida contained F1 · pUTHg isolates different growth on media showed 50 to 250 µg / ml PMA included. Above these upper limits of the PMA-Konzen none of the isolates tested grew. Separate representative conjugation product strains (20 P. putida KT2442 · pUTHg and 20 P. putida F1 · pUTHg), the growth isolated colonies on PMA-containing L medium selected for further investigation.
Diese 40 Exkonjugantien-Stämme wurden auf ihre Fähigkeit getestet, auf Cb, Pc oder Km enthaltenden L-Medien zu wach sen, und alle Stämme erwiesen sich als empfindlich gegenüber allen drei Antibiotika (zusätzlich erwiesen sich P putida KT2442-Derivate als resistent gegenüber Rif), wodurch sichergestellt war, daß keine Replikation oder Integration eines der Donorplasmide in die untersuchten Akzeptoren statt gefunden hatte. Es konnte also gezeigt werden, daß alle Stämme, die weiteren Untersuchungen unterzogen wurden, einer Transposition von mini-Tn5 in das Wirts-Chromosom (::mer) un terworfen worden waren.These 40 exconjugant strains were tested on their ability tested to awake on L media containing Cb, Pc or Km sen, and all the tribes proved to be sensitive to it all three antibiotics (P putida was also found KT2442 derivatives as resistant to Rif), whereby it was ensured that there was no replication or integration one of the donor plasmids takes place in the investigated acceptors had found. So it could be shown that all Strains that have undergone further testing are one Transposition of mini-Tn5 into the host chromosome (:: mer) un had been thrown.
Die Höchstwerte der Konzentration an HgCl2 und PMA, die noch ein Wachstum in sowohl festem als auch flüssigem LP121 er laubten, wurden für die 40 zuvor untersuchten P. putida::mer- Stämme bestimmt. Für diese Experimente wurde P. putida KT2442::Tn501-132, das eine stabile Insertion des für ein mer-Operon mit geringem Wirkungsspektrum codierenden Tn501 (3, 38) enthält, durch Mobilisierung von pFRC37p konstruiert (siehe Beispiel 1). P. putida KT2442::Tn501-132 lieferte einen Vergleichswert für prototypische Hgr und Expression durch einen nativen mer-Promotor.The maximum levels of HgCl 2 and PMA that still allowed growth in both solid and liquid LP121 were determined for the 40 P. putida :: mer strains previously examined. For these experiments, P. putida KT2442 :: Tn501-132, which contains a stable insertion of Tn501 (3, 38) coding for a low-spectrum mer operon, was constructed by mobilizing pFRC37p (see Example 1). P. putida KT2442 :: Tn501-132 provided a comparison value for prototypical Hg r and expression by a native mer promoter.
P. putida::mer-Stämme, die Wachstum isolierter Kolonien auf LP121-Agar mit HgCl2 oder PMA zeigten, wurden als resistent gegenüber der zugefügten Konzentration an Quecksilberverbin dung eingestuft. Sie wurden dann auf die gleiche Weise bei höheren Konzentrationen an HgCl2 und PMA weitergetestet, bis die Werte erreicht waren, die das Wachstum isolierter Kolo nien inhibierten.P. putida :: mer strains that showed growth of isolated colonies on LP121 agar with HgCl 2 or PMA were classified as resistant to the added concentration of mercury compound. They were then tested in the same way at higher concentrations of HgCl 2 and PMA until the values were reached that inhibited the growth of isolated colonies.
Die Höchstwerte der Resistenz in flüssigen LP121-Medien wur den bestimmt, indem Kulturen unter aeroben Bedingungen bis zum Erreichen der midlog-Wachstumsphase (A600 = 0,5) inkubiert wurden und an diesem Punkt die Quecksilberverbindung zuge setzt wurde. Das spektroskopische Absorptionsvermögen wurde für jede Kultur nochmals nach vierstündigem kontinuierlichem Wachstum ermittelt. Die Differenzen der optischen Dichten wurden berechnet und mit den Differenzen des Absorptionsver mögens paralleler, unbehandelter Kulturen verglichen, die zu denselben Zeitpunkten gemessen worden waren. Da Empfindlich keit gegenüber HgCl2 oder PMA einer gegebenen Konzentration zu einem vernachlässigbaren Wachstumsanstieg führte (Daten nicht gezeigt), wurde als Resistenz definiert, daß annähernd die optische Dichte der unbehandelten Kontrolle erreicht wurde. Repräsentative Ergebnisse dieser Experimente sind in Fig. 1 dargestellt.The maximum values of resistance in liquid LP121 media were determined by incubating cultures under aerobic conditions until the midlog growth phase had been reached (A 600 = 0.5) and the mercury compound had been added at this point. The spectroscopic absorbency was determined for each culture again after four hours of continuous growth. The differences in optical densities were calculated and compared with the differences in absorbance of parallel, untreated cultures measured at the same time. Since sensitivity to HgCl 2 or PMA at a given concentration led to a negligible increase in growth (data not shown), resistance was defined as approximately the optical density of the untreated control. Representative results of these experiments are shown in FIG. 1.
85% der 20 getesteten P. putida KT2442::mer-Isolate zeigten einen 12,5-37,5-%igen Anstieg des Hgr-Wertes im Vergleich zu P. putida KT2442::Tn501-132, wenn sie auf festen LP121-Medien gezüchtet wurden. Nur 30% derselben Stämme zeigen jedoch einen Anstieg an Hgr, wenn man sie in flüssigem LP121 wachsen läßt; die Erhöhung lag in diesen Fällen jeweils um 28,5% über den Werten von P. putida KT2442::Tn501-132. Jedoch zeig ten ganz allgemein diejenigen P. putida KT2442::mer-Stämme die größte demonstrierbare Resistenz beim Wachstum in Flüssig keit, die die höchste Hgr auf festen Medien aufwiesen. Wurden diese 20 P. putida KT2442::mer-Isolate auf PMA-haltigen LP121-Medien getestet, zeigten sie höhere Resistenz über einen kürzeren Bereich an PMA-Konzentrationen auf festen Medien, als wenn sie in flüssigen Medien gezüchtet wurden.85% of the 20 P. putida KT2442 :: mer isolates tested showed a 12.5-37.5% increase in Hg r compared to P. putida KT2442 :: Tn501-132 when on solid LP121 -Media were grown. However, only 30% of the same strains show an increase in Hg r when grown in liquid LP121; The increase in these cases was 28.5% above the values of P. putida KT2442 :: Tn501-132. However, those P. putida KT2442 :: mer strains showed the greatest demonstrable resistance to growth in liquid that showed the highest Hg r on solid media. When these 20 P. putida KT2442 :: mer isolates were tested on PMA-containing LP121 media, they showed higher resistance over a shorter range of PMA concentrations on solid media than when grown in liquid media.
Im allgemeinen zeigten die 20 P. putida F1::mer-Stämme eine größere Hgr als die untersuchten P. putida KT2442::mer. 50% wiesen auf festen bzw. flüssigen LP121-Medien einen 14,3-85,7-%igen Anstieg an Hgr im Vergleich zu P. putida KT2442::Tn501-132 auf. Dagegen waren die Obergrenzen für PMAr zwischen den mer-Abkömmlingen von P. putida KT2442 und F1 vergleichbar (Fig. 1). In general, the 20 P. putida F1 :: mer strains showed a larger Hg r than the P. putida KT2442 :: mer examined. 50% had a 14.3-85.7% increase in Hg r on solid or liquid LP121 media compared to P. putida KT2442 :: Tn501-132. In contrast, the upper limits for PMA r between the mer offspring of P. putida KT2442 and F1 were comparable ( FIG. 1).
Distal zu den merA-Genen von Tn501 gelegene DNA-Sequenzen und die Plasmide R100 und pDU1358 sind von Bedeutung für die Hgr und weisen einen hohen Homologiegrad auf (4, 11, 13, 22, 25, 29). Die Deletion dieser Sequenzen, die für mindestens zwei offene Leserahmen codieren (merD und urf1), vermindert die Höhe der maximalen Hgr um 20% (4, 22, 25, 29), was mit einer Abnahme der Induzierung der Hg-Volatilisierung (4) und mit einem gleichzeitigen Anstieg der mer-Transkription korreliert (22, 29). Es konnte gezeigt werden, daß das merD-Protein spe zifisch an den mer-Promotor (Pmer) bindet (22). Deshalb ist vorgeschlagen worden, daß MerD als Coropressor der merTPABD-Expression fungiert (22, 29).DNA sequences distal to the merA genes of Tn501 and the plasmids R100 and pDU1358 are important for the Hg r and have a high degree of homology (4, 11, 13, 22, 25, 29). Deletion of these sequences, which code for at least two open reading frames (merD and urf1), reduces the maximum Hg r by 20% (4, 22, 25, 29), which is associated with a decrease in the induction of Hg volatilization (4 ) and correlated with a simultaneous increase in mer transcription (22, 29). It could be shown that the merD protein binds specifically to the mer promoter (P mer ) (22). Therefore, it has been suggested that MerD acts as a coropressor of merTPABD expression (22, 29).
Die zum Promotor distal gelegene EcoRV-Stelle, die zur Iso lierung des merTPAB-haltigen Fragments für die Konstruktion von pUTHg verwendet wurde (12), ist strangaufwärts von merD gelegen (11). Die Quecksilber-Resistenz mit breitem Wirkungs spektrum, die von mini-Tn5 codiert wird, weist also eine Deletion von merD auf. Trotz des Verlustes von merD konnte jedoch gefunden werden, daß einige der hier untersuchten P. putida::mer-Abkömmlinge eine größere maximale Hg(II)-/PMA- Resistenz aufweisen als P. putida, das Wildtyp-Tn501 beher bergt (Fig. 1). Die Tatsache, daß die Resistenz einiger mini- Tn5-Isolate weit höher war als die bereits früher in merD- Mutanten beobachtete, nämlich 60 µM (22), bestätigt, daß die mer-TPAB-Transkription in diesen Isolaten von starken exoge nen Wirtspromotoren an ihren jeweiligen chromosomalen Inser tions-Zielorten herrührt.The EcoRV site distal to the promoter, which was used to isolate the merTPAB-containing fragment for the construction of pUTHg (12), is located upstream from merD (11). The broad-spectrum mercury resistance encoded by mini-Tn5 therefore shows a deletion of merD. Despite the loss of merD, however, it was found that some of the P. putida :: mer descendants examined here have a greater maximum Hg (II) / PMA resistance than P. putida, which harbors wild-type Tn501 ( FIG. 1). The fact that the resistance of some mini-Tn5 isolates was far higher than that previously observed in merD mutants, namely 60 µM (22), confirms that the mer-TPAB transcription in these isolates depends on strong exogenous host promoters their respective chromosomal insertion targets.
Da sich die enzymatische Aktivität des merA-Genprodukts, die Quecksilber-Reduktase, aus rohen Zellextrakten bestimmen läßt (36), wurde diese als Maß für die Genexpression von mer ge wählt. Quecksilber-Reduktase-Bestimmungen wurden an Extrakten von 12 repräsentativen P. putida KT2442::mer- und 11 P. putida F1::mer-Isolaten ausgeführt, die mit und ohne Zuge setztem HgCl2 in LP121-Medien gezüchtet worden waren. P. putida KT2442::Tn501-132 wurde genauso untersucht, nachdem der Stamm in LP121-Medium mit HgCl2 induziert worden war, um den Vergleichswert für die mer-Expression zu liefern, die vom nativen, von Tn501 codierten mer-Promotor herrührt (16, 21, 28). Die Ergebnisse dieser Experimente sind in Tabelle 2 dar gestellt.Since the enzymatic activity of the merA gene product, the mercury reductase, can be determined from crude cell extracts (36), this was chosen as a measure of the gene expression of mer ge. Mercury reductase determinations were carried out on extracts of 12 representative P. putida KT2442 :: mer and 11 P. putida F1 :: mer isolates, which had been grown with and without HgCl 2 in LP121 media. P. putida KT2442 :: Tn501-132 was also examined after the strain was induced in LP121 medium with HgCl 2 to provide the comparative value for mer expression derived from the native Tn501-encoded mer promoter ( 16, 21, 28). The results of these experiments are shown in Table 2.
Eine Expression von merA in P. putida KT2442::Tn501-132 war ohne Zugabe von HgCl2 nicht erkennbar. Wie bereits früher in Studien mit E. coli-Wirten gefunden wurde, ist durch Tn501 codierte merA-Expression mit Hg(II) induzierbar, wie auch das mer-Operon des Plasmids R100 (39). Die Hg(II)-Induzierbarkeit in diesen Systemen wird durch die Aktivität des MerR-Proteins verursacht, das in Gegenwart von Hg(II) als positiver Regula tor für die merTPAD-Expression fungiert, in dessen Abwesen heit jedoch als negativer Regulator (7, 16, 25, 30).Expression of merA in P. putida KT2442 :: Tn501-132 was not recognizable without the addition of HgCl 2 . As previously found in studies with E. coli hosts, Tn501-encoded merA expression with Hg (II) can be induced, as can the mer operon of plasmid R100 (39). The Hg (II) inducibility in these systems is caused by the activity of the MerR protein, which in the presence of Hg (II) acts as a positive regulator for merTPAD expression, but in its absence acts as a negative regulator (7, 16, 25, 30).
Es wurde jedoch berichtet, daß die vom Wildtyp Tn501 codierte mer-Aktivität in Pseudomonas aeruginosa beinahe konstitutiv ist; in Gegenwart bzw. Abwesenheit von Hg(II) wurde eine nur 30%ige Differenz an MerA-Aktivität beobachtet (4). Es hat sich jedoch vorliegend gezeigt, daß die Expression des Tn501- Operons in P. putida Hg-abhängig ist: in nicht zuvor Hg(II) ausgesetzten Zellen war keine Quecksilber-Reduktase-Aktivität auffindbar (Tabelle 2), und uninduzierte Kulturen waren Hgs (siehe unten, Fig. 3).However, it has been reported that the wild type Tn501 encoded mer activity in Pseudomonas aeruginosa is almost constitutive; in the presence or absence of Hg (II), only a 30% difference in MerA activity was observed (4). However, it has been shown in the present case that the expression of the Tn501 operon in P. putida is H-dependent: no mercury reductase activity was found in cells not previously exposed to Hg (II) (Table 2), and uninduced cultures were Hg s (see below, Fig. 3).
Im Gegensatz zu der Induzierbarkeit, die bei dem Tn501 vom Wildtyp enthaltenden P. putida-Stamm gezeigt wurde, wiesen alle getesteten 23 P. putida::mer-Isolate annähernd die glei chen Werte für die Quecksilber-Reduktase-Aktivität auf, unab hängig von der Zugabe oder dem Fehlen von HgCl2. Deshalb ist die merTPAB-Expression in diesen Stämmen konstitutiv; ein Zusatz von Hg(II) ist für die merTPAB-Expression nicht erfor derlich (Tabelle 2).In contrast to the inducibility shown in the P. putida strain containing wild-type Tn501, all 23 P. putida :: mer isolates tested had approximately the same values for the mercury reductase activity, regardless of the addition or absence of HgCl 2 . Therefore, merTPAB expression is constitutive in these strains; the addition of Hg (II) is not necessary for merTPAB expression (Table 2).
Dem Plasmid pHG106, der Quelle von pDU1358-merTPAB-DNA für die Konstruktion von MiniTn5, fehlt das merR-Gen (11, 12). The plasmid pHG106, the source of pDU1358-merTPAB-DNA for the construction of MiniTn5 lacks the merR gene (11, 12).
merR-Mutanten von Tn501 und vom Plasmid R100 zeigen normaler weise mikrokonstitutive merTPAD-Expression (d. h. 10fach über dem normalen reprimierten Wert, aber 100fach unterhalb der normalen induzierten Werte), und sie sind phänotypisch Hgs (25, 28). Das Wildtyp-pDU1358-mer-Operon (aus dem das hier verwendete mini-Tn5 derivatisiert worden war) ist wie Tn501 und R100 ebenfalls induzierbar, wenn es jedoch eine Deletion von merR aufweist, verleiht es E. coli Hgr (11). Die konsti tutive mer-Expression, die sich bei den vorliegend untersuch ten P. putida::mer-Isolaten erkennen läßt, ist also wahr scheinlich eine Folge des Fehlens einer merR-Determinante.merR mutants of Tn501 and plasmid R100 normally show microconstitutive merTPAD expression (ie 10 times above the normal repressed value but 100 times below the normal induced values) and they are phenotypic Hg s (25, 28). The wild-type pDU1358-mer operon (from which the mini-Tn5 used here was derivatized), like Tn501 and R100, is also inducible, but if it has a deletion of merR, it gives E. coli Hg r (11). The constitutive mer expression, which can be seen in the P. putida :: mer isolates examined here, is therefore probably a consequence of the lack of a merR determinant.
Der Wert der konstitutiven Quecksilber-Reduktase-Aktivität, den die untersuchten P. putida::mer-Isolate aufwiesen, unter schied sich in signifikanter Weise von der induzierten merA- Aktivität, die P. putida KT2442::Tn501-132 aufweist. P. putida KT2442::mer-Isolate zeigten einen bis zu 4,2fachen Anstieg (Isolat 73), und die Stämme P. putida F1::mer zeigten eine maximal 3,3fach (Isolat 1-1) höhere Reduktase-Aktivität als der Tn501 enthaltende Stamm. Die Deletion von merD, dem vermutlichen merTPAB-Corepressor, könnte zum Anstieg der mer- Expression beitragen, der in diesen P. putida::mer-Isolaten beobachtet wurde. Die Tatsache jedoch, daß die Expression zwischen ::mer-Isolaten stark schwankt (siehe Tabelle 2), stützt wiederum die Vermutung, daß die Transkription in die sen Stämmen mindestens teilweise von exogenen Wirtspromotoren an den Orten der mer-Insertion ausgelöst wird.The value of constitutive mercury reductase activity, which the examined P. putida :: mer isolates had, among differed significantly from the induced merA Activity exhibited by P. putida KT2442 :: Tn501-132. P. putida KT2442 :: mer isolates showed up to 4.2 times Increase (isolate 73), and the strains P. putida F1 :: mer showed a maximum of 3.3 times (isolate 1-1) higher reductase activity as the strain containing Tn501. The deletion of merD, the suspected merTPAB corepressor, could lead to an increase in the mer- Expression contribute in these P. putida :: mer isolates was observed. However, the fact that expression fluctuates strongly between :: mer isolates (see Table 2), again supports the assumption that the transcription into the strains at least partially from exogenous host promoters is triggered at the locations of the mer insertion.
Die Quecksilber-Reduktase-Aktivitäten der jeweils untersuch ten P. putida::mer-Isolate wurden gegen die Resistenz dersel ben Stämme gegenüber PMA oder Hg(II) in festen oder flüssigen LP121-Medien aufgetragen. Die Ergebnisse dieser Analyse sind in Fig. 2 dargestellt. Die Daten erfüllen im großen und ganzen eine quadratische Funktion, was zeigt, daß die Resi stenz mit dem Quadrat (bzw. einem Anteil davon) der Reduk tase-Aktivität steigt. Die in flüssigen LP121-Medien gemesse nen Resistenzen zeigten bessere Korrelation zur mer-Expres sion als diejenigen, die auf festen Medien bestimmt worden waren. Bei der Transformation aller Korrelationen in stati stische Zahlenpaare fielen jedoch nur die aus den Resistenz bestimmungen in flüssigen, PMA enthaltenden LP121-Medien ge wonnenen Daten und die Kollektivgruppen-Daten in ein Intervall von 95% Sicherheit (Fig. 2). Während die Quecksil ber-Resistenz ganz allgemein unter den vorliegend verwendeten Bedingungen mit der mer-Expression korreliert ist, zeigte deshalb die Resistenz gegenüber PMA bei der Messung in flüs sigen Minimal-Medien die direkteste Beziehung zur mer-Expres sion.The mercury reductase activities of the P. putida :: mer isolates tested in each case were plotted against the resistance of the same strains to PMA or Hg (II) in solid or liquid LP121 media. The results of this analysis are shown in Fig. 2. The data generally have a quadratic function, which shows that the resistance increases with the square (or a portion thereof) of the reductase activity. The resistances measured in liquid LP121 media showed a better correlation to the mer expression than those determined on solid media. In the transformation of all correlations into statistical pairs of numbers, however, only the data obtained from the resistance determinations in liquid PMA-containing LP121 media and the group data fell into an interval of 95% certainty ( FIG. 2). While the mercury resistance is generally correlated with the mer expression under the conditions used here, the resistance to PMA showed the most direct relationship to the mer expression when measured in liquid minimal media.
In scharfem Gegensatz zu diesen Ergebnissen haben Studien in E. coli ergeben, daß mit steigender mer-Gen-Dosis kein An stieg der Hgr gezeigt werden kann; die Resistenz wies keine Korrelation mit den Werten für die mer-Expression auf (23, 25). Obwohl man gefunden hat, daß die Quecksilber-Reduktase- Aktivitäten mit der Kopienzahl von mer in E. coli ansteigt, war bei diesen Anstiegen keine gleichzeitige Erhöhung der Hgr der ganzen Zellen (23, 25) manifest. Weitere Untersuchungen ergaben, daß Hgr durch den Hg(II)-Transport in die ganzen Zellen limitiert war; der Transport erreichte diesen Ergeb nissen zufolge einen Sättigungspunkt (31). Weil MerT, eines der Transportproteine, wahrscheinlich ein integrales Protein der inneren Membran ist (15, 21, 25), wurde vorgeschlagen, daß eine Limitation bezüglich der Verfügbarkeit von Inserti onsorten für MerT in der Membran für das beobachtete Fehlen der Korrelation zwischen Hgr und der mer-Expression verant wortlich sein könnte (23, 31). Auch eine limitierte Expres sion von merPT oder energetische Überlegungen bezüglich des Transports wurden als Erklärungen für die Begrenzung von Hgr trotz ansteigender mer-Kopienzahl in E. coli angeboten (31).In sharp contrast to these results, studies in E. coli have shown that with increasing dose of the mer gene, no increase in Hg r can be shown; resistance showed no correlation with the values for mer expression (23, 25). Although the mercury reductase activities were found to increase with the copy number of mer in E. coli, no simultaneous increase in Hg r of the whole cells (23, 25) was evident at these increases. Further investigations showed that Hg r was limited by the Hg (II) transport into the whole cells; According to these results, the transport reached a saturation point (31). Because MerT, one of the transport proteins, is likely to be an integral protein of the inner membrane (15, 21, 25), it has been suggested that a limitation on the availability of insert types for MerT in the membrane for the observed lack of correlation between Hg r and the mer expression could be responsible (23, 31). A limited expression of merPT or energetic considerations regarding the transport were also offered as explanations for the limitation of Hg r in spite of an increasing number of mer copies in E. coli (31).
Die in den oben zitierten Studien untersuchte Hgr von E. coli-Stämmen wurde entweder auf komplexen und/oder verfestig ten Medien bestimmt. Sulfhydrylgruppen in komplexen Medien sollten erwartungsgemäß einen gewissen Anteil des verfügbaren Hg(II) binden. Die reale Konzentration an Hg(II), der die Zellen auf Agarplatten ausgesetzt werden, liegt infolge der asymmetrischen physiochemischen Bedingungen von auf einem festen Substrat wachsenden Zellen ebenfalls beinahe mit Si cherheit unterhalb der erwarteten Konzentration. Unterschiede der Hgr zwischen verschiedenen Stämmen können unter diesen Umständen durchaus abgeschwächt werden, insbesondere, wenn nur leichte Anstiege der Gendosis untersucht werden. Diese Überlegungen könnten auch die Abnahme der Proportionalität erklären, die zwischen der Hgr/pMAr und der mer-Expression von P. putida::mer-Isolaten auf verfestigten Medien beobach tet wurde (Fig. 2). Auch könnte, da Hg(II) seiner Flüchtig keit wegen schneller aus flüssigen Medien verloren geht als PMA, eine bessere Korrelation zwischen Resistenz und Expres sion in PMA-haltigen, flüssigen Medien erzielt werden, was ja vorliegend beobachtet wurde (Fig. 2).The Hg r of E. coli strains examined in the studies cited above was determined either on complex and / or solidified media. As expected, sulfhydryl groups in complex media should bind a certain proportion of the available Hg (II). The real concentration of Hg (II) to which the cells are exposed on agar plates is also almost certainly below the expected concentration due to the asymmetrical physiochemical conditions of cells growing on a solid substrate. Differences in Hg r between different strains can be weakened under these circumstances, especially if only slight increases in the gene dose are examined. These considerations could also explain the decrease in proportionality observed between the Hg r / pMA r and the mer expression of P. putida :: mer isolates on solidified media ( Fig. 2). Also, since Hg (II) is lost from liquid media faster than PMA due to its volatility, a better correlation between resistance and expression in PMA-containing liquid media could be achieved, which was observed in the present case ( FIG. 2).
Beim Einsatz von P. putida als genetischem Hintergrund wurde erfindungsgemäß festgestellt, daß die Hyperexpression von mer eine erhöhte Quecksilber-Resistenz verlieh. Ähnliche Versuche in E. coli waren erfolglos, zeigten jedoch die Transportlimi tationen in diesem Organismus auf (31). Unterschiede in der Membranzusammensetzung infolge der genetischen Divergenz die ser beiden Organismen und/oder die Zusammensetzung der Medien könnte die Verschiedenheit dieser Ergebnisse erklären. Falls die Membrankapazität für mer-codierte Transportproteine in P. putida signifikant erhöht ist, könnte dies die beobachtete direkte Korrelation der mer-Expression mit der Resistenz zur Folge haben. When using P. putida as a genetic background according to the invention found that the hyperexpression of mer conferred increased mercury resistance. Similar attempts in E. coli were unsuccessful, but showed the transport limits tations in this organism (31). Differences in Membrane composition due to genetic divergence these two organisms and / or the composition of the media could explain the diversity of these results. If the membrane capacity for mer-encoded transport proteins in P. putida is significantly increased, this could be the observed direct correlation of mer expression with resistance to Have consequence.
Wachstumskurven für die elterlichen, gegenüber Hg empfindli chen (Hgs) Stämme P. putida KT2442 und F1 und deren KT2442::mer-73, F1::mer-1-1 und KT2442-Tn501-132 Hgr-Derivate wurden gemessen, um die Wirkung der merTPAB-Hyperexpression auf die Wachstumsrate der Kultur zu bestimmen.Growth curves for the parental, Hg sensitive (Hg s ) strains P. putida KT2442 and F1 and their KT2442 :: mer-73, F1 :: mer-1-1 and KT2442-Tn501-132 Hg r derivatives were measured, to determine the effect of merTPAB hyperexpression on the growth rate of the culture.
Hyperexprimierende merTPAB-Stämme zeigten keine signifikante Wirkung der Hg-Exposition auf ihre Wachstumsrate, wenn sie in HgCl2-haltigen LP121-Medien inokuliert wurden, während beide elterlichen P. putida und das Tn501-Derivat unter identischen Bedingungen nicht wachsen konnten (Fig. 3). Da gezeigt worden ist, daß die merTPAB-Expression konstitutiv ist, könnte ein Überleben dieser Stämme auf anfängliche Hg-Exposition hin er wartet werden. Jedoch ist für den Tn501-haltigen Stamm eine Induktion mit Hg erforderlich, damit das durch Tn501 codierte mer-Operon exprimiert werden kann (39); werden die Zellen toxischen Konzentrationen von Hg(II) ausgesetzt, verhindert dies aller Wahrscheinlichkeit nach das Zellwachstum, bevor die mer-Induktion anspringt, wobei gleichzeitig ein Hgs-Phänotyp vorgetäuscht wird (Fig. 3).Hyperexpressing merTPAB strains showed no significant effect of Hg exposure on their growth rate when inoculated in HgCl 2 -containing LP121 media, while both parental P. putida and the Tn501 derivative could not grow under identical conditions ( Fig. 3 ). Since merTPAB expression has been shown to be constitutive, survival of these strains could be expected upon initial mercury exposure. However, induction with Hg is required for the Tn501-containing strain so that the mer operon encoded by Tn501 can be expressed (39); if the cells are exposed to toxic concentrations of Hg (II), this in all likelihood prevents cell growth before the mer induction starts, at the same time simulating an Hg s phenotype ( FIG. 3).
Auch die Zugabe von HgCl2 zur midlog-Phase führte zu keiner nennenswerten Wirkung auf die Wachstumsrate von ::mer-73 oder -1-1, während die elterlichen Hgs-Kontrollkulturen einen sofortigen Stillstand des Zellwachstums zeigten und eine induzierte P. putida KT2442:Tn501-132-Kultur eine leicht erhöhte Wachstumsrate aufwies (Fig. 3).The addition of HgCl 2 to the midlog phase also had no significant effect on the growth rate of :: mer-73 or -1-1, while the parental Hg s control cultures showed an immediate standstill of cell growth and an induced P. putida KT2442 : Tn501-132 culture had a slightly increased growth rate ( Fig. 3).
Weiter zurückliegende Wachstumsstudien mit dem induzierbaren mer-Operon vom Wildtyp pDU1358 mit breitem Wirkungsspektrum in E. coli zeigten, daß mit Hg(II)- oder PMA-Konzentrationen unterhalb des toxischen Bereiches behandelte Kulturen mit hö heren Raten wachsen als jene, die später toxischen Konzentra tionen dieser Verbindungen ausgesetzt wurden (11). P. putida::mer-Stämme, die das alterierte, von pDU1358 stammende mer-System enthalten, zeigten dagegen auch dann, wenn sie mit toxischen Hg(II)-Konzentrationen behandelt wurden, eine genauso große Wachstumsrate wie unbehandelte Kontrollen (Fig. 3).Previous growth studies with the inducible mer-operon of wild type pDU1358 with a broad spectrum of activity in E. coli showed that cultures treated with Hg (II) or PMA concentrations below the toxic range grow at higher rates than those which later have toxic concentrations cations of these compounds were exposed (11). P. putida :: mer strains containing the altered mer system derived from pDU1358, on the other hand, showed a growth rate as high as that of untreated controls even when they were treated with toxic Hg (II) concentrations ( FIG. 3 ).
KT2442::mer-Isolate (-67, -73, -2-4, -2-49, -1-121) und F1::mer-Isolate (-1-1, -1-7, -1-22, -10, -13) von P. putida wurden durch Southern-Hybridisierung (37) analysiert, um die Transposition des mer-Operons zu sichern und die Einmaligkeit der jeweiligen Transpositionsereignisse festzustellen.KT2442 :: mer isolates (-67, -73, -2-4, -2-49, -1-121) and F1 :: mer isolates (-1-1, -1-7, -1-22, -10, -13) from P. putida were analyzed by Southern hybridization (37) to determine the Ensure transposition of the mer operon and uniqueness of the respective transposition events.
Gereinigte pUTHg-DNA wurde mit SfiI verdaut, wodurch ein 3,2 kB-Fragment erzeugt wird, das unter Ausschluß der verkürzten 1550-Sequenzen für die merTPAB-Gene codiert (12). Genomische DNA, die aus den P. putida:mer-Isolaten isoliert worden war, wurde auf die gleiche Weise mit SfiI oder EcoRI geschnitten, für das es im mobilisierten mini-Tn5-mer-TPAB-Konstrukt eine einzelne Schnittstelle gibt (12). Genomische DNA der elterli chen Stämme P. putida KT2442 und F1 wurde ebenfalls mit SfiI verdaut. Genomische DNA von P. putida KT2442::Tn501-132 wurde mit AvaI verdaut, wodurch ein 2,7 kB langes Fragment ent steht, das die Tn501 merTPAD-Gene enthält (3, 4, 21).Purified pUTHg DNA was digested with SfiI, whereby a 3.2 kB fragment is generated, excluding the shortened 1550 sequences encoded for the merTPAB genes (12). Genomic DNA isolated from the P. putida: mer isolates was cut in the same way with SfiI or EcoRI, for which there is one in the mobilized mini-Tn5-mer-TPAB construct single interface there (12). Genomic DNA of the parent Chen strains P. putida KT2442 and F1 were also identified with SfiI digested. P. putida KT2442 :: Tn501-132 genomic DNA digested with AvaI, resulting in a 2.7 kB fragment that contains the Tn501 merTPAD genes (3, 4, 21).
Die gesamte verdaute DNA wurde einzeln entweder mit dem iso lierten 3,2 kB langen pUTHg-Fragment, das für merTPAB codiert, oder mit pGP704 als Sonde zusammengegeben, das die pUTHg-Vektor-Sequenzen (abzüglich mini-Tn5 und tnp*) enthält (12, 20).The entire digested DNA was separated individually using either the iso of the 3.2 kB pUTHg fragment that was used for merTPAB encoded, or pooled with pGP704 as the probe pUTHg vector sequences (minus mini-Tn5 and tnp *) contains (12, 20).
Die Ergebnisse zeigten, daß beim Zusammengeben mit der mer- Sequenz in allen SfiI-verdauten P. putida::mer-Proben ein 3,2 kB langes, hybridisierendes Fragment vorhanden war, das der durch SfiI erzeugten pUTHg-mer-DNA entspricht, was zeigt, daß merTPAB tatsächlich durch diese Isolate codiert wird (Fig. 4). Fragmente mit höherem Molekulargewicht aus diesen Verdauungen, die geringere Hybridisierung zeigen, sind wahrscheinlich die Folge von unvollständiger SfiI-Verdauung der hybridisierten DNA (Fig. 4). Die DNA, die KT2442-Tn501 enthielt, zeigte beim Zusammengeben mit merTPAB als Sonde Hybridisierung eines Fragmentes, das der vorhergesagten Größe der Tn501-merTPAD-DNA entspricht (3, 4, 21). Die elterlichen Stämme KT2442 und F1 zeigten erwartungsgemäß keine Hybridi sierung mit der mer-Sonde (Fig. 4).The results showed that when combined with the mer sequence, a 3.2 kb hybridizing fragment was present in all SfiI digested P. putida :: mer samples, which corresponds to the pUTHg-mer DNA generated by SfiI, which shows that merTPAB is actually encoded by these isolates ( Fig. 4). Higher molecular weight fragments from these digestions that show less hybridization are likely to be the result of incomplete SfiI digestion of the hybridized DNA ( Fig. 4). The DNA containing KT2442-Tn501, when combined with merTPAB as a probe, showed hybridization of a fragment corresponding to the predicted size of the Tn501-merTPAD DNA (3, 4, 21). As expected, the parental strains KT2442 and F1 showed no hybridization with the mer probe ( FIG. 4).
Die Hybridisierung der mer-Sonde mit P. putida::mer-DNA, die mit EcoRI verdaut worden war, führte zu zwei hybridisierenden Fragmenten pro Isolat; alle Fragmente unterschieden sich in ihrer Mobilität (KT2442-Derivate sind in Fig. 4 dargestellt). Demzufolge trat die mer-Transposition in diesen Stämmen nur einmal auf und resultierte in der Integration in einer ein zelnen, nur einmal vorkommenden Wirtssequenz.Hybridization of the mer probe with P. putida :: mer DNA digested with EcoRI resulted in two hybridizing fragments per isolate; all fragments differed in their mobility (KT2442 derivatives are shown in Fig. 4). As a result, the mer transposition occurred only once in these strains and resulted in the integration into a single host sequence which occurred only once.
Beim Hybridisierungsversuch des gleichen DNA-Satzes mit dem mer-Klonierungsvektor pGP704 zeigte nur die pUTHg-Kontrolle positive Hybridisierung (Daten nicht gezeigt). Das Vorliegen von merTPAB in den P. putida::mer-Abkömmlingen ist also nicht die Folge einer Kointegration, da keine Vektorsequenzen beob achtet wurden, sondern zeigt echte Transpositionsereignisse.When trying to hybridize the same set of DNA with the mer cloning vector pGP704 showed only the pUTHg control positive hybridization (data not shown). The existence from merTPAB in the P. putida :: mer descendants is not the result of a cointegration, since no vector sequences are observed were respected, but shows real transposition events.
Da P. putida F1::mer-Isolate sowohl die durch das Transposon codierte Organoquecksilber-Lyase als auch einen durch ihre Chromosomen spezifizierten Katabolismus für Benzol beinhalten (10), wurden sie daraufhin untersucht, ob sie sowohl Hg(II) aus PMA abspalten als auch die gebildete Benzolgruppe als einzige Kohlenstoff- und Energiequelle nutzen könnten. Des halb wurde vorliegend die Fähigkeit von 21 P. putida F1::mer- Isolaten analysiert, auf M63-Agar mit 160 µg/ml PMA als ein ziger Kohlenstoffquelle zu wachsen. Auftretende Kolonien wur den durch einen Farbtest mit 0,5 M Katechol auf das Vorliegen von Aktivität eines der am Benzolabbau beteiligten Enzyme, Katechol-2,3-Dioxygenase (9), getestet. Since P. putida F1 :: mer isolates both by the transposon coded organo mercury lyase as well as one by their Chromosomes include specified catabolism for benzene (10), they were examined to determine whether they had both Hg (II) split off from PMA as well as the formed benzene group as could use only carbon and energy sources. Des half the ability of 21 P. putida F1 :: mer- Isolates analyzed on M63 agar with 160 µg / ml PMA as one ziger carbon source to grow. Emerging colonies were the presence of a color test with 0.5 M catechol activity of one of the enzymes involved in benzene degradation, Catechol-2,3-dioxygenase (9).
Beide Kontrollen, P. putida F1 und P. putida KT2442::mer73, konnten nicht auf PMA wachsen (Tabelle 3). P. putida F1 be sitzt keine Hgr mit breitem Wirkungsspektrum und ist deshalb PMA-empfindlich (PMAs) (Fig. 1). Darüber hinaus könnte PMA deshalb für P. putida F1 nicht als Kohlenstoffquelle ver fügbar sein, weil dieser Organismus nicht für eine Organo quecksilber-Lyase codiert und sein Aromaten-Katabolismus PMA nicht als Substrat erkennen sollte. P. putida KT2442::mer-73 dagegen codiert für PMAr (Fig. 1) und kann deshalb Benzol bilden, kann jedoch nicht auf diesem Substrat wachsen, da ihm ein Benzol-Abbau-Pathway fehlt (Tabelle 3).Both controls, P. putida F1 and P. putida KT2442 :: mer73, were unable to grow on PMA (Table 3). P. putida F1 has no Hg r with a broad spectrum of activity and is therefore sensitive to PMA (PMA s ) ( Fig. 1). In addition, PMA may not be available as a carbon source for P. putida F1 because this organism does not code for an organomercury lyase and its aromatic catabolism should not recognize PMA as a substrate. P. putida KT2442 :: mer-73, on the other hand, codes for PMA r ( FIG. 1) and can therefore form benzene, but cannot grow on this substrate because it lacks a benzene degradation pathway (Table 3).
Neun der getesteten 21 P. putida F1::mer-Stämme konnten auf M63-PMA-Medien wachsen und zeigten auf ihnen Dioxygenase-Ak tivität (Stämme, für die Quecksilber-Reduktase-Bestimmungen vorgenommen wurden, sind in Tabelle 2 dargestellt). Die Wachstumsunterschiede der Stämme auf PMA wiesen keine offen sichtliche Korrelation zu den gemessenen Werten für die merA- Expression auf (vergleiche Tabellen 2 und 3). Unterstellt man, daß vergleichbare Reduktase-Werte zwischen ::mer-Stämmen eine Indikation für entsprechende Lyase-Werte sind (da sowohl merA als auch merB in allen diesen Stämmen vom gleichen Pro motor exprimiert werden), dann kann die Tatsache, daß sowohl mer-Expressoren mit hohen Werten als auch solche mit niedri gen Werten auf PMA wachsen, nicht durch Bezug auf entspre chenden Werte der Lyase-Aktivität erklärt werden: Die Lyase- Aktivität hätte nicht zu niedrig sein können, um das Wachstum auf dem gebildeten Benzol zu ermöglichen. Gerade diese Frage scheint durch die vorliegenden Daten nicht klärbar zu sein und erfordert weitere Untersuchungen.Nine of the 21 P. putida F1 :: mer strains tested were found M63-PMA media grow and show dioxygenase-Ab on them activity (strains, for the mercury reductase determinations were shown in Table 2). The There were no open differences in the growth of the strains on PMA visible correlation to the measured values for the merA Expression on (compare Tables 2 and 3). Imputed comparable reductase values between :: mer strains are an indication for corresponding lyase values (since both merA as well as merB in all these strains from the same pro motor can be expressed), then the fact that both mer expressors with high values as well as those with low values growing values on PMA, not by referring to corresponding corresponding values of the lyase activity can be explained: Activity could not have been too low for growth to allow on the benzene formed. That very question does not seem to be clear from the available data and requires further investigation.
Die scheinbare Unvereinbarkeit zwischen dem beobachteten Wachstum auf 160 µg/ml PMA in M63-Minimalmedium und einer maximalen PMAr von 80 µg/ml auf LP121 läßt sich am ehesten durch einen Zusammenhang mit der jeweiligen Medium-Zusammen setzung erklären. Da LP121 den Zellen phosphatlimitierende Bedingungen (100 µM) bietet, stehen diese wahrscheinlich un ter Streß und zeigen deshalb eine niedrigere PMAr als unter den bezüglich Phosphat unlimitierenden Bedingungen des M63- Mediums. In jedem Fall gelingt es mit Hilfe von Abkömmlingen, die Wachstum auf PMA zeigen, die Aktivitäten von Hgr mit breitem Wirkungsspektrum mit den endogenen Abbau-Fähigkeiten von P. putida F1 (10) zu verbinden und einen neuen katabolen Pathway zu erzeugen.The apparent incompatibility between the observed growth to 160 µg / ml PMA in M63 minimal medium and a maximum PMA r of 80 µg / ml on LP121 can best be explained by a connection with the respective medium composition. Since LP121 offers the cells phosphate-limiting conditions (100 µM), they are probably under stress and therefore show a lower PMA r than under the phosphate-unlimited conditions of the M63 medium. In any case, with the help of progeny that show growth on PMA, the activities of Hg r with a broad spectrum of activity can be combined with the endogenous degradation capabilities of P. putida F1 (10) and a new catabolic pathway can be created.
Die vorliegende Erfindung stellt damit zum ersten Mal Orga nismen zur Verfügung, in denen die Überexpression von für die Quecksilberentgiftung benötigten Genen mit einem deutlichen Anstieg der Quecksilber-Resistenz einhergeht.The present invention represents Orga for the first time nisms are available in which the overexpression of for the Mercury detoxification required genes with a clear Associated with increased mercury resistance.
Zwar ist bereits früher die Überexpression in E. coli inso weit gelungen, als die Kopienzahl des mer-Gens erhöht werden konnte; dies hatte jedoch keinen Anstieg der Quecksilber- Resistenz zur Folge. Es konnte gezeigt werden, daß der Hg(II)-Transport unter diesen Bedingungen in E. coli limitie rend war. Eines der Transport-Proteine ist in die Zellmembran integral insertiert, und wahrscheinlich ist die Zahl der für Hg(II)-Transportproteine verfügbaren Insertionsorte begrenzt. Deshalb können mer-überexprimierende E. coli-Stämme Hg(II) unter hohen Konzentrationen nicht schnell genug eintrans portieren (und dann reduzieren), um sich selbst vor der Toxi zität gegenüber dem Kation zu schützen.Overexpression in E. coli is already inso succeeded far as the number of copies of the mer gene were increased could; however, this had no increase in mercury Resistance. It could be shown that the Hg (II) transport under these conditions in E. coli limitie rend was. One of the transport proteins is in the cell membrane inserted integrally, and probably the number of for Hg (II) transport proteins limited available insertion sites. Therefore, over-expressing E. coli strains Hg (II) under high concentrations, it does not enter quickly enough port (and then reduce) to yourself in front of the toxi protect against the cation.
Erfindungsgemäß wurde nun mit P. putida ein Organismus be reitgestellt, in dem die Überexpression und die Resistenz ge koppelt sind. Der Grund für die Kopplung könnte darin liegen, daß die Membranen von P. putida mehr Insertionsstellen für die mer-Transportproteine bereitstellen als die von E. coli, so daß der Eintransport in die Zelle und damit die Hg(II)-Reduktionsrate gesteigert werden.According to the invention, P. putida was now an organism provided in which the overexpression and the resistance ge are coupled. The reason for the coupling could be that the P. putida membranes have more insertion sites for that provide mer transport proteins than that of E. coli, so that the transport into the cell and thus the Hg (II) reduction rate can be increased.
Ein zweiter wichtiger Vorteil der erfindungsgemäßen Systeme ist die konstitutive Expression der Proteine. Die Zellen sterben deshalb nicht ab, bevor die Hg(II)-Reduktion indu ziert ist, wie es die Wildtyp-Isolate tun. Auch in einer Um gebung, die mit niedrigen Konzentrationen an Hg(II) konta miniert ist, sind Organismen mit konstitutiver Expression überlegen: Während derartige Konzentrationen nicht aus reichen, um in den Wildtypen die Induktion der Proteinsyn these und Quecksilber-Reduktion zu bewirken, reduzieren die erfindungsgemäßen Stämme auch Hg(II) in hohen Verdünnungen. Dies ist von großem Vorteil, da sich gezeigt hat, daß Hg, auch wenn es in hochverdünnten und damit (noch) ungefährli chen Konzentrationen in der Umgebung vorhanden ist, in höhe ren Organismen akkumuliert und damit langfristig giftig und belastend ist.A second important advantage of the systems according to the invention is the constitutive expression of the proteins. The cells Therefore do not die before the Hg (II) reduction indu is decorated as the wild-type isolates do. Even in an order given that with low concentrations of Hg (II) cont are organisms with constitutive expression consider: While such concentrations are not sufficient are sufficient to induce protein syn in the wild types effecting these and mercury reduction reduce the strains according to the invention also Hg (II) in high dilutions. This is of great advantage since it has been shown that Hg, even if it is in highly diluted and therefore (still) harmless concentrations in the area are high organisms accumulated and thus long-term toxic and is stressful.
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P. putida F1; J. Biol. Chem., 264 (1989) 14940-14946
E. coli SM10 lambda-pir (pUT-Hg); vgl. J. Bacteriol., 172
(1990) 6568-6572P. putida KT2442; Gene, 16 (1981) 237-247
P. putida F1; J. Biol. Chem., 1989, 264, 14940-14946
E. coli SM10 lambda-pir (pUT-Hg); see. J. Bacteriol., 172 (1990) 6568-6572
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Claims (15)
- i) in der Lage ist, für die Quecksilber-Reduktion notwendige Gene (mer-Gene) konstitutiv zu überexprimieren,
- ii) resistent gegen Hg(II)-Verbindungen ist.
- i) is able to constitutively overexpress genes (mer genes) required for mercury reduction,
- ii) is resistant to Hg (II) compounds.
- iii) Toluol und Benzol sowie Toluol- und Benzolgruppen orga nischer Substanzen abbauen kann.
- iii) toluene and benzene and toluene and benzene groups of organic substances can degrade.
- i) eine kurze Endsequenz aufweist,
- ii) nur einmal in den Akzeptor bzw. Rezipienten transponiert wird und dort stabil integriert verbleibt,
- iii) keine mer-Regulatorgene besitzt.
- i) has a short ending sequence,
- ii) is transposed only once into the acceptor or recipient and remains stably integrated there,
- iii) has no mer regulatory genes.
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AT411063B (en) * | 1999-12-30 | 2003-09-25 | Red Bull Gmbh | Use of taurine, or derivatives, for upregulating expression of selected genes |
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AT411063B (en) * | 1999-12-30 | 2003-09-25 | Red Bull Gmbh | Use of taurine, or derivatives, for upregulating expression of selected genes |
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